SHPB虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的研究與開(kāi)發(fā)

毛繼澤，曲 嘉，夏培秀

（1.哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 本科生院，黑龍江 哈爾濱 150001）

自Kolsky[1]將分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson press bar，SHPB）系統(tǒng)引入高應(yīng)變率下材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究以來(lái)，該技術(shù)經(jīng)過(guò)70余年的發(fā)展已逐漸成熟。但由于需使用火藥或高壓氣體作為發(fā)射動(dòng)力而具有一定的危險(xiǎn)性，且部分典型的率相關(guān)材料如鉛等重金屬具有一定的毒性，因此不易推廣。

目前，國(guó)內(nèi)外不少大學(xué)研制并建設(shè)了SHPB設(shè)備，開(kāi)展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)研究[2-7]，但由于存在危險(xiǎn)性均由經(jīng)培訓(xùn)的專(zhuān)職人員操作。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于發(fā)射氣壓、子彈長(zhǎng)度、電橋橋壓、增益系數(shù)、采樣率和觸發(fā)條件等實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置相互影響，在實(shí)際教學(xué)中學(xué)生難以熟練掌握，而是需要通過(guò)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)積累經(jīng)驗(yàn)、探索規(guī)律。然而，重復(fù)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的耗損費(fèi)用較高、危險(xiǎn)性增加，因此有必要通過(guò)變革SHPB裝置的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，研發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

近年來(lái)，虛擬仿真技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用于各學(xué)科專(zhuān)業(yè)的教學(xué)實(shí)踐中，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有的沉浸式、交互性、可重復(fù)、低成本、無(wú)危險(xiǎn)、可回放、易共享等特點(diǎn)[8-12]，為解決分離式霍普金森桿沖擊壓縮的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了很好的解決方法。本文綜合應(yīng)用三維虛擬仿真技術(shù)和ANSYS有限元軟件，開(kāi)發(fā)了SHPB虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，以下對(duì)此進(jìn)行介紹。

1 開(kāi)發(fā)需求、難點(diǎn)和思路

1.1 開(kāi)發(fā)需求

（1）沉浸式環(huán)境需求。需要具有SHPB測(cè)試系統(tǒng)的全部要素，包括：桿系結(jié)構(gòu)、應(yīng)變片、氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)、超動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、數(shù)字存儲(chǔ)示波器，以及試樣和游標(biāo)卡尺。

（2）交互式需求。需要試樣材質(zhì)、發(fā)射子彈長(zhǎng)度、發(fā)射氣壓、應(yīng)變儀增益、示波器量程、觸發(fā)方式、觸發(fā)電壓、觸發(fā)延時(shí)等一系列參數(shù)的相互耦合。根據(jù)學(xué)生對(duì)參數(shù)的設(shè)置給出不同的數(shù)據(jù)反饋，同時(shí)給出標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果用于教師批改報(bào)告時(shí)的參考。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的參數(shù)設(shè)置需要學(xué)生進(jìn)行探索式嘗試，要從多次實(shí)驗(yàn)中找到合適的參數(shù)設(shè)置，獲得實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，改變以往為了避免采集超量程或不觸發(fā)采集而使實(shí)驗(yàn)失敗，教師提前給出建議參數(shù)的作法。

（3）引入誤差和實(shí)驗(yàn)失敗的可能性。由于ANSYS實(shí)時(shí)計(jì)算程序耗時(shí)較長(zhǎng)，利用計(jì)算算例結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，共完成計(jì)算結(jié)果文件3072個(gè)。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作時(shí)所設(shè)定的參數(shù)，可對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)值差分并引入隨機(jī)誤差，形成各次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果文件，保證每個(gè)人得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均不相同。

（4）實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)應(yīng)使實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度由淺入深。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)可基于相同的實(shí)驗(yàn)原理，從明確實(shí)驗(yàn)題目出發(fā)，選擇不同的實(shí)驗(yàn)材料試樣，進(jìn)行1~n次不確定次數(shù)的實(shí)驗(yàn)，重復(fù)部分實(shí)驗(yàn)步驟，最終完成實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)得到?jīng)_擊波速測(cè)量、動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度測(cè)量、應(yīng)變率增強(qiáng)系數(shù)、應(yīng)變率—應(yīng)變—應(yīng)力曲線測(cè)量、Johnson-Cook本構(gòu)參數(shù)測(cè)量等測(cè)試結(jié)論，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度逐漸由淺入深。

1.2 開(kāi)發(fā)難點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可分為基礎(chǔ)規(guī)范型實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和研究探索型實(shí)驗(yàn)[4]。其中，綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)旨在使學(xué)生綜合運(yùn)用課堂上所學(xué)的理論知識(shí)解決所遇到的問(wèn)題，研究探索型實(shí)驗(yàn)旨在使學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出研究方案、建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)并處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終找到問(wèn)題根源并發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律。在SHPB實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，要求學(xué)生不僅要活學(xué)活用理論知識(shí)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，還要求他們能夠自主制定實(shí)驗(yàn)方案，探究材料在高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要服務(wù)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，要在開(kāi)發(fā)過(guò)程中基于實(shí)際實(shí)驗(yàn)涉及到的學(xué)科知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)步驟，并在不影響虛擬仿真結(jié)果可信度的情況下進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化和理想化。SHPB整套實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)應(yīng)的課程多、學(xué)科應(yīng)用廣泛，因而開(kāi)發(fā)難點(diǎn)之一就是如何合理地將諸多知識(shí)點(diǎn)融合成一個(gè)整體，從而能夠虛擬仿真多種不同的實(shí)驗(yàn)工況。難點(diǎn)之二是如何做好人機(jī)交互，使其具有更好的代入感，從而使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程貼近實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作，使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成為研究性、開(kāi)放性的平臺(tái)。

1.3 開(kāi)發(fā)思路

將SHPB實(shí)驗(yàn)分解為實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)處理三個(gè)環(huán)節(jié)，而虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的操作步驟應(yīng)符合實(shí)際實(shí)驗(yàn)的流程要求。其中，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)主要培養(yǎng)學(xué)生的操作熟練度；參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生探索參數(shù)間的耦合關(guān)系，進(jìn)而歸納總結(jié)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)；數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)主要培養(yǎng)學(xué)生深入掌握應(yīng)變率與應(yīng)變、應(yīng)力之間的積分計(jì)算方法和力學(xué)關(guān)系。通過(guò)三個(gè)環(huán)節(jié)的不同側(cè)重，由淺入深地引導(dǎo)學(xué)生掌握SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)的操作細(xì)節(jié)和原理應(yīng)用。

SHPB虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)難點(diǎn)和重點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)和參數(shù)設(shè)置引起的交互性，包括引入誤差和失敗的可能性。首先，子彈尺寸和發(fā)射氣壓是實(shí)驗(yàn)過(guò)程的第一個(gè)交互性關(guān)鍵變量，軟件根據(jù)此兩參數(shù)利用彈道曲線差分出撞擊速度。其次，要以能實(shí)現(xiàn)不同材料和多種尺寸試樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)量為開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，通過(guò)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中錄入鋁、銅、鉛等金屬材料的沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，支撐后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供數(shù)據(jù)處理的參考結(jié)果。最后，通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置頁(yè)面和開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)不同參數(shù)設(shè)置對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象影響的規(guī)律，甚至在失敗的實(shí)驗(yàn)中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以符合研究探索型實(shí)驗(yàn)的要求。

2 仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

2.1 開(kāi)發(fā)工具

SHPB虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建采用 3D仿真開(kāi)發(fā)技術(shù)，三維場(chǎng)景部分以 Unity3D和 Visual Studio 2015開(kāi)發(fā)環(huán)境為制作引擎，配套的管理平臺(tái)采用Eclipse作為開(kāi)發(fā)工具，內(nèi)部應(yīng)用JAVA進(jìn)行算法與交互編程及模擬控制，并采用MyQL進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理。

2.2 仿真平臺(tái)界面設(shè)計(jì)

圖1為SHPB虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的界面。主界面背景為3D建模的實(shí)際實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，展示了SHPB實(shí)驗(yàn)中的供氣系統(tǒng)、SHPB裝置主體部分、信號(hào)采集系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)裝置。主界面下方顯示了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作流程，隨著操作流程的進(jìn)行，對(duì)應(yīng)的文字會(huì)被標(biāo)亮，提示實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，學(xué)生可

以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊主界面中的任意儀器設(shè)備，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)介紹該設(shè)備的標(biāo)注，通過(guò)上下滑動(dòng)滾輪也可以對(duì)實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)景進(jìn)行局部放大和縮小。在主界面左上角子彈長(zhǎng)度一欄中，能夠顯示當(dāng)前使用的子彈長(zhǎng)度。

圖1 SHPB虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主界面

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)。

選用早熟、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)，抗病蟲(chóng)、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、商品性好的品種。當(dāng)前攀西地區(qū)種植較為普遍的品種為豫選一號(hào)品種，畝用種量2.5—3.5公斤。菜豆品種有紅花青殼、雙青玉豆、天馬架豆王、泰國(guó)架豆王、碧豐8號(hào)等。

首先，進(jìn)行電測(cè)系統(tǒng)連接。通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)，在桿件上的適當(dāng)部位采用半橋?qū)Ρ鄯椒ㄕ迟N應(yīng)變片；點(diǎn)選應(yīng)變片的引線，在惠斯通電橋上采用半橋接線方式與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀相連接；點(diǎn)擊電橋連接線，將動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀上對(duì)應(yīng)的信道與示波器連接。第二，進(jìn)行試樣測(cè)試裝夾，包括測(cè)量試樣尺寸。以鼠標(biāo)點(diǎn)擊工作臺(tái)上放置的試樣，在試樣材料窗口彈出的黃銅、純鉛、鋁三種材料中進(jìn)行選擇，注意三種材料的率敏感性不同；點(diǎn)擊旁邊放置的游標(biāo)卡尺，測(cè)量試樣的直徑和厚度；再點(diǎn)擊工作臺(tái)上放置的毛刷，在試樣兩端面涂抹高壓脂，以降低沖擊實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ粒鸬讲ㄐ握巫饔谩５谌瑢⒃嚇友b夾到入射桿和透射桿之間。此時(shí)彈出子彈長(zhǎng)度選擇界面如圖2所示，從6種不同長(zhǎng)度的試樣中選擇實(shí)驗(yàn)子彈長(zhǎng)度；將對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的子彈放置到發(fā)射管中。與實(shí)際實(shí)驗(yàn)不同，此時(shí)將發(fā)射管設(shè)置為透明，即可看著將子彈安裝到發(fā)射準(zhǔn)備位置。第四，調(diào)節(jié)發(fā)射裝置上的氣壓調(diào)節(jié)旋鈕，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)鼠標(biāo)為增大氣壓，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為減小氣壓。由不同的子彈長(zhǎng)度和發(fā)射氣壓，可以得到不同的發(fā)射速度，進(jìn)而形成不同的沖擊波強(qiáng)度和波長(zhǎng)，最終導(dǎo)致試樣不同的應(yīng)力應(yīng)變曲線和殘余變形[13]，如圖3所示。

圖2 選擇子彈長(zhǎng)度

圖3 調(diào)節(jié)發(fā)射氣壓

2）參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié)。

首先，打開(kāi)超動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀，通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕，設(shè)置增益系數(shù)和低通濾波系數(shù)。然后打開(kāi)示波器和采集通道，設(shè)置觸發(fā)通道和觸發(fā)條件。旋轉(zhuǎn)觸發(fā)時(shí)間旋鈕設(shè)置觸發(fā)延時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)電平旋鈕設(shè)置觸發(fā)基準(zhǔn)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)標(biāo)度旋鈕設(shè)置采樣率，單擊采集按鈕并打開(kāi)采集面板設(shè)置采樣長(zhǎng)度。設(shè)置完成后單擊單次采集按鈕，完成參數(shù)設(shè)置工作。此項(xiàng)工作將影響測(cè)試精度，錯(cuò)誤的設(shè)置結(jié)果將使數(shù)據(jù)采集不全或超量程，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。用鼠標(biāo)觸發(fā)閥門(mén)開(kāi)關(guān)發(fā)射子彈后，系統(tǒng)將根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)設(shè)置、試樣和子彈等的選取，輸出不同的波形圖，如圖4所示。

圖4 示波器調(diào)節(jié)面板及測(cè)試結(jié)果

3）數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。

圖5 應(yīng)力—應(yīng)變率—應(yīng)變雙坐標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 成績(jī)?cè)u(píng)定與統(tǒng)計(jì)

教師在線上可根據(jù)學(xué)生帳號(hào)對(duì)照實(shí)驗(yàn)報(bào)告與平臺(tái)系統(tǒng)自動(dòng)生成的計(jì)算結(jié)果，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)進(jìn)行評(píng)定，大大減輕了教師核對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果正確性的工作量。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)本次實(shí)驗(yàn)共計(jì)消耗的耗材和試樣數(shù)量，包括真實(shí)實(shí)驗(yàn)所需要耗費(fèi)的經(jīng)費(fèi)數(shù)量和配套人力數(shù)量等數(shù)據(jù)，從而使學(xué)生提高對(duì)實(shí)驗(yàn)方案重要性的認(rèn)識(shí)，樹(shù)立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究態(tài)度。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，可對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)中常犯的參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤和易發(fā)生失誤的操作進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，用于完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)為研究探索型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，能夠克服以往實(shí)體實(shí)驗(yàn)受制于硬件條件、需要分時(shí)段多次指導(dǎo)、需要避免實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、不利于學(xué)生深入掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能等問(wèn)題。系統(tǒng)可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)參數(shù)的配置情況，有利于學(xué)生總結(jié)規(guī)律，自我歸納經(jīng)驗(yàn)。學(xué)生還可慢鏡頭回放實(shí)驗(yàn)過(guò)程中波的傳播過(guò)程，這是在真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程不可能做到的，有利于他們加深對(duì)沖擊動(dòng)力學(xué)的理解。

本項(xiàng)目使學(xué)生不再受制于學(xué)時(shí)數(shù)限制，并可反復(fù)嘗試實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)比不同參數(shù)所帶來(lái)的影響。實(shí)驗(yàn)除對(duì)力學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)放外，還面向機(jī)械、船舶、材料、航空航天及土木工程等專(zhuān)業(yè)的本科生和研究生開(kāi)放，促進(jìn)了SHPB技術(shù)的應(yīng)用。

本項(xiàng)目在教學(xué)實(shí)施中重視“虛實(shí)結(jié)合”，當(dāng)學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目訓(xùn)練達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)后，再通過(guò)嚴(yán)格的安全培訓(xùn)，即可向?qū)嶒?yàn)室提交自行擬定的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)方案，由在線教學(xué)服務(wù)教師審核通過(guò)后，即可預(yù)約申請(qǐng)真實(shí)設(shè)備，針對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)所沒(méi)有的新材料進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)一年左右的運(yùn)行，部分本科生在本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展了教學(xué)科研實(shí)驗(yàn)，并發(fā)表了論文，形成了“虛實(shí)結(jié)合”良性銜接的教學(xué)效果。