基于AS技術(shù)的材料拉壓虛擬實驗研究

郭德偉 李麗

（1.紅河學(xué)院工學(xué)院 云南省蒙自縣 661199 2.紅河學(xué)院商學(xué)院 云南省蒙自縣 661199）

1 引言

虛擬實驗是一種新型的教學(xué)手段，相比于實體實驗，虛擬實驗綜合運用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)，從而實現(xiàn)了對真實實驗環(huán)境的模擬，使學(xué)生能夠在模擬的實驗環(huán)境中來開展實驗，進而在確保學(xué)生自身安全的同時，還能有效培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。不僅能使課前預(yù)習(xí)、課堂操作、課后練習(xí)與作業(yè)，以及課下答疑等教學(xué)環(huán)節(jié)在數(shù)字化課堂上靈活呈現(xiàn)，而且還可以極大地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和探索新知識的能力，充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)理念”。因此，將虛擬實驗引入到機械專業(yè)教學(xué)中，是實驗教學(xué)模式的探索和改革，通過對虛擬實驗系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，可以更好地掌握機械基礎(chǔ)理論知識，進一步加強傳統(tǒng)教學(xué)實驗，通過構(gòu)建虛擬實驗室來推動機械專業(yè)教學(xué)改革，這是非常具有重要現(xiàn)實意義的。

材料的拉壓試驗是材料力學(xué)課程中一個必修的實驗，其實驗?zāi)康木褪菍ΤＳ玫慕饘俨牧线M行力學(xué)性能的測定，掌握常用金屬材料的合理選用原則。目前唯一可靠的獲取力學(xué)性能的途徑仍然是對材料進行拉壓試驗，而試驗最為基本的儀器就是金屬材料萬能試驗機[1]。絕大多數(shù)的金屬材料試驗都是靜力學(xué)性能試驗，因此用于教學(xué)和研究的試驗機一般都選用綜合性能較好、采用雙空間、計算機控制的電子式萬能試驗機。目前國內(nèi)市場上這類試驗機的最低售價約在十萬元人民幣左右，而在每次實驗教學(xué)中每臺試驗機最多可容納五到十名學(xué)生使用，每一組學(xué)生操作一次試樣至少消耗四個試樣，費用近五十元，多次重復(fù)的試驗加上各種試樣耗材的費用，使這類實驗儀器在教學(xué)中體現(xiàn)出的使用價值與學(xué)生人數(shù)間形成的“性價比”相對較低，很多教學(xué)經(jīng)費相對不足的地方院校就不愿做這種“不劃算”的硬件設(shè)備投入，在相關(guān)課程的教學(xué)中學(xué)生們就只能以圖片或錄像的方式來了解金屬材料的這一宏觀性能特征，對材料力學(xué)性能的相關(guān)知識得不到充分理解，使本應(yīng)該是“試驗”的過程變成了簡單的“演示實驗”，這將很大程度上影響對結(jié)構(gòu)材料的合理設(shè)計和選用，學(xué)生工程設(shè)計質(zhì)量將難以提高。若將金屬材料萬能試驗機整個試驗過程虛擬仿真化，用系統(tǒng)“軟件”代替試驗機的“硬件”，不但節(jié)約了成本，且通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)終端能組建出更多的虛擬試驗機“硬件”，讓實驗突破時空及人數(shù)限制，上述問題將得以解決。因此，對金屬材料萬能試驗機測量與控制的一系列過程進行虛擬化研究將具有重要的現(xiàn)實意義。

隨著各種計算機語言、軟件等的多元化開發(fā)，在構(gòu)建材料拉壓虛擬實驗的過程中所采用的技術(shù)也是多元化的，如利用C++語言[2]、Unity 3D平臺結(jié)合SolidWorks使用C#腳本語言編程和UGUI界面設(shè)計[3]、VB 6.0[4]、CAXA、VRML和JavaScript技術(shù)結(jié)合[5]、3DS Max整合Authorware[6]、3DS Max結(jié)合ActionScript技術(shù)[7]等。

ActionScript（簡稱AS）技術(shù)，對于產(chǎn)品占有率曾經(jīng)為世界97%，盡管該技術(shù)Adobe Flash Player平臺已經(jīng)停止研發(fā)和更新，但近十多年來在教學(xué)虛擬實驗研究領(lǐng)域中這種技術(shù)以它特有的優(yōu)勢卻仍具有較高的占有率。圍繞金屬材料萬能試驗機，目前使用AS技術(shù)的虛擬實驗多表現(xiàn)為對材料變形的簡單模擬，而且試樣沒有可選性，實驗條件單一、試樣變形單調(diào)，對整個試驗過程進行系統(tǒng)虛擬研究的不多。

2 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 虛擬實驗平臺整體構(gòu)思

根據(jù)材料力學(xué)課程的實驗教學(xué)大綱，首先對實體電子式萬能試驗機和試樣變形機理進行研究，再利用虛擬現(xiàn)實與仿真技術(shù)建立萬能試驗機設(shè)備模型及虛擬場景，實現(xiàn)簡單三維交互，同時對常用金屬材料力學(xué)性能進行測試，建立其不同破壞條件下的力學(xué)性能模型及變形動態(tài)模型，利用AS腳本編程技術(shù)及其他虛擬現(xiàn)實與仿真技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代教育技術(shù)及評價手段，來設(shè)計構(gòu)建交互式虛擬材料試驗機測控平臺。主要從實驗儀器、耗材和軟件系統(tǒng)三個方面開展建設(shè)。

（1）實驗儀器建設(shè)，根據(jù)現(xiàn)有時代試金WDW-100E型電子式萬能試驗機，采用Pro/E或相關(guān)CAD軟件建立試驗機設(shè)備主體三維模型、設(shè)備各操控元件三維模型及實驗室虛擬場景；利用所建立的三維模型，結(jié)合虛擬節(jié)點技術(shù)，并應(yīng)用AS腳本編程技術(shù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)聯(lián)合表現(xiàn)模型的三維場景交互，并建立各控制及執(zhí)行元件的感應(yīng)交互區(qū)。

（2）實驗耗材建設(shè)，擬按照國家拉伸和壓縮標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010和GB7314-2005制備幾種常用的金屬結(jié)構(gòu)材料（Q235、HT150及45#）試樣，并根據(jù)試驗機要求在不同破壞條件下進行測試，研究材料變形機理，獲取材料力學(xué)性能的相關(guān)數(shù)據(jù)及試驗應(yīng)力-應(yīng)變圖譜；對數(shù)據(jù)及圖譜信息研究分析，建立常用結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能參數(shù)模型，并對模型的可靠性進行再驗證，根據(jù)材料實際變形規(guī)律對模型進行改良和優(yōu)化；根據(jù)破壞變形機理建立常用金屬結(jié)構(gòu)材料試樣的變形動態(tài)模型。

（3）軟件系統(tǒng)建設(shè)，合理采用XML、Web、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代教育技術(shù)及評價手段，采用AS技術(shù)為主其他虛擬技術(shù)為輔的綜合技術(shù)，將各虛擬儀器、模型、場景及各種常用材料力學(xué)性能模型整合形成一個系統(tǒng)，構(gòu)建出具有較強交互功能的虛擬材料試驗機測試和控制平臺；通過時效測試及評價研究，對測控平臺系統(tǒng)進行優(yōu)化、改良，力求使其操作簡單方便，仿真性好，真實感強。

2.2 試驗機虛擬設(shè)計

材料試驗機是力學(xué)性能測試最基本最重要的實驗設(shè)備。本虛擬實驗中試驗機原始模型采用Pro/E三維設(shè)計軟件構(gòu)建每個細(xì)小零部件，并進行虛擬裝配和運動模擬研究，將按規(guī)劃設(shè)計好的效果較佳的視頻資料制作成相應(yīng)動畫文件，并存為flv格式，利用AS技術(shù)進行整合，實現(xiàn)對試驗機的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、運動狀態(tài)及工作原理等多角度充分展示，其效果如圖1所示。

圖1：試驗機三維效果

圖2：系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2.3 虛擬實驗系統(tǒng)界面及結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮教學(xué)需要及學(xué)生學(xué)情分析結(jié)果，從實驗?zāi)康暮鸵蟪霭l(fā)，所設(shè)計的虛擬實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括新手導(dǎo)航、實驗指導(dǎo)、試驗機介紹、進行實驗和數(shù)據(jù)分析五個部分。在界面上點擊左下角的“”按鈕將進入軟件導(dǎo)航模塊，也即新手導(dǎo)航界面，在這里可以了解該虛擬實驗系統(tǒng)的使用和操作情況，當(dāng)鼠標(biāo)停留在導(dǎo)航首頁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖不同模塊位置，在空白處顯示的基本情況說明是不一樣的，以防止學(xué)生“迷失”。實驗指導(dǎo)模塊主要介紹該實驗的目的、原理、實驗內(nèi)容、操作步驟、例題及思考題等，并提供實驗報告單的下載。試驗機介紹這部分主要是讓學(xué)生了解電子式萬能試驗機的結(jié)構(gòu)和工作原理。

進行實驗部分是整個虛擬實驗的主體部分，根據(jù)實驗?zāi)康募耙笸瓿上嚓P(guān)實驗，主要實現(xiàn)虛擬試驗的拉壓過程模擬及試驗數(shù)據(jù)生成，并將數(shù)據(jù)記錄進行儲存。這個模塊包括主控制區(qū)、信息顯示與控制區(qū)、拉壓曲線顯示區(qū)、試樣變形顯示區(qū)和信息輸入窗口幾個部分。在界面左側(cè)的主控制區(qū)，可輸入工作過程中橫梁運動的速度值或直接點擊相應(yīng)按鈕進行速度的選擇，也可手動按控制虛擬試驗機橫梁運動的方向，以方便試樣的安裝調(diào)整，還能控制整個虛擬實驗的開始和結(jié)束等；信息顯示與控制區(qū)顯示了試驗機在工作過程中試驗力、試驗力峰值、位移、變形和試驗時間的數(shù)值變化，還考慮到引申計的安裝和取下對各參數(shù)的影響，還可以控制各參數(shù)的回零復(fù)位處理。

2.4 虛擬實驗過程設(shè)計及實現(xiàn)

在進行拉壓試驗之前，需要對系統(tǒng)及試樣信息進行系列確認(rèn)，主要包括試樣的編號、材料、基本形狀參數(shù)、試樣標(biāo)距等信息的輸入，還有試驗拉壓模式的選擇和虛擬試驗機超載停機標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定等信息的輸入，及試樣安裝過程中各試驗數(shù)據(jù)的調(diào)整和清零等，本虛擬實驗系統(tǒng)嚴(yán)格按照實際試驗機的操作規(guī)范進行，保證虛擬試驗的真實感。比如當(dāng)你不進行任何實驗信息輸入直接點擊“開始”按鈕，系統(tǒng)會提示輸入信息，并自動彈出“輸入試樣信息”窗口；當(dāng)按下手動調(diào)整的上下按鈕時，系統(tǒng)將判斷是否取下有引申計，對引伸計進行保護，只有按要求確保已經(jīng)點擊“取引伸計”按鈕，其警告窗口才能關(guān)閉，試驗才能真正開始。另外一個重要的輸入數(shù)據(jù)是速度，可通過直接輸入，也可通過點擊設(shè)計的按鈕組進行選擇，然后根據(jù)所選數(shù)值計算期間比例，計算各級速度檔位差，對應(yīng)滑動條行程及滑塊的位置坐標(biāo)，計算速度的增量百分比，在拖動滑動條時才能實現(xiàn)各期間檔位變化和速度值的對應(yīng)關(guān)系，最后將結(jié)合得到的值賦給實際速度，才能參與計算位移或變形的數(shù)值。默認(rèn)初始速度為0，各級速度的檔位差為0.005，為可以調(diào)整速度的最小值。

按下“開始”按鈕或手動控制的“上升”或“下降”按鈕，系統(tǒng)將對試驗初始條件的判定，如是否輸入信息參數(shù)、是否取下引伸計等，符合條件后各數(shù)據(jù)將按設(shè)置的速度開始運行。試樣變形區(qū)調(diào)入與選擇拉壓形式對應(yīng)的拉伸或壓縮試樣，界面上部試驗力、峰值、位移、變形和時間將開始按給定的速度隨系統(tǒng)時間每毫秒運算遞增。其中峰值是當(dāng)前值在每次循環(huán)過程中和試驗力的值進行比較，取大值。當(dāng)“取引伸計”按鈕被點擊，變形數(shù)值將由位移數(shù)值賦予，即兩數(shù)值相等。此時試驗力顯示區(qū)利用當(dāng)前試驗力的值和前一個值之間的“l(fā)ine命令”相互劃線，實現(xiàn)試驗力隨變形的變化曲線。

當(dāng)試樣最終破壞后，停止實驗，點擊左上角出現(xiàn)的“保存數(shù)據(jù)”按鈕，系統(tǒng)將會以之前設(shè)定好的試樣信息編號為數(shù)據(jù)名稱進行保存，包括試樣的基本信息，虛擬試驗機的基本設(shè)置，每次試驗的試驗力、位移、變形、時間和速度等相關(guān)數(shù)據(jù)。所有參數(shù)及試驗力隨變形的變化數(shù)據(jù)將采用多維數(shù)組的形式進行轉(zhuǎn)換，結(jié)合擴展標(biāo)記語言XML技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合“List 組件”的使用來實現(xiàn)將其存儲到PC端操作系統(tǒng)中。點擊數(shù)據(jù)目錄樹中的編號名稱，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的切換選擇與管理，也可以對不符合要求或誤操作保存的數(shù)據(jù)進行刪除處理。

3 實驗數(shù)據(jù)處理與分析

采用AS進行程序編寫過程中嚴(yán)格各數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和處理。試驗曲線的實現(xiàn)采用分階段、多函數(shù)進行曲線擬合，并在一定范圍內(nèi)采用多個隨機數(shù)進行調(diào)控，防止實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的同質(zhì)化。

通過點擊數(shù)據(jù)保存界面左下角的“數(shù)字分析”按鈕或者主界面上“數(shù)字分析”，可以進入對應(yīng)曲線分析研究界面。選擇目錄樹中數(shù)據(jù)編號，將從系統(tǒng)中調(diào)出之前儲存的數(shù)據(jù)，并將這些多維數(shù)組的值從新賦予新的數(shù)組，以便在內(nèi)存中完成新的數(shù)據(jù)計算，根據(jù)學(xué)生選定的試驗力-變形、應(yīng)力-應(yīng)變、應(yīng)力-時間等不同的曲線類型，將新數(shù)組中的值再對應(yīng)讀取來重新顯示和繪制對應(yīng)的曲線圖，并根據(jù)其顯示區(qū)域的大小，按比例最大化顯示曲線，通過鼠標(biāo)分別拖動上邊和右邊的參考標(biāo)尺可以來測量曲線中特殊位置顯示的數(shù)據(jù)，了解試樣材料的力學(xué)能行，實現(xiàn)較佳的顯示效果。參考標(biāo)尺采用融入數(shù)值和參考直線的一個影片剪輯的方式，通過位置坐標(biāo)相對于曲線起點坐標(biāo)關(guān)系來顯示轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。

圖3：應(yīng)力-應(yīng)變圖比較

圖3顯示了采用本虛擬實驗得到的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，a圖所示為一種低碳鋼拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變圖，線性階段、屈服階段、強化階段和縮頸階段都很明顯，屬于典型的塑性材料，利用輔助參考標(biāo)尺可以看到屈服階段最低位置大約為229.6，即材料的屈服極限約為229.6MPa，也就是要把這種低碳鋼拉到屈服破壞需要大約229.6 MPa的應(yīng)力。類似拖動參考標(biāo)尺也可查看數(shù)據(jù)的最大值，即材料的強度極限約為420MPa，達(dá)到破壞時應(yīng)變約為37%，更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)獲取可以根據(jù)對應(yīng)變形情況查詢儲存數(shù)據(jù)得到。b圖顯示一種灰鑄鐵拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變圖，和a圖相比沒有屈服階段和縮頸階段，甚至連線性階段也不是明顯，屬于典型脆性材料，利用參考標(biāo)尺可以看到最大破壞應(yīng)力及強度極限約為255.8 MPa，說明要把它拉斷破壞需要255.8MPa的應(yīng)力。材料破壞時應(yīng)變約為2.2%，說明變形較小就破壞。c圖顯示一種低碳鋼壓縮時的應(yīng)力-應(yīng)變圖，線性階段、屈服階段很明顯，參考標(biāo)尺顯示屈服極限約為234.9MPa，和a圖相比材料的屈服強度比較接近，說明低碳鋼材料抗拉性能和抗壓性能差距不大。d圖顯示一種灰鑄鐵壓縮時的應(yīng)力-應(yīng)變圖，沒有屈服和縮頸，參考標(biāo)尺顯示材料破壞時應(yīng)變約為16%，強度極限約為755.6MPa，即要把它壓壞需要755.6MPa的應(yīng)力，和b圖的相比強度極限約為拉伸時的3倍，說明灰鑄鐵材料的抗壓性能要明顯好于抗拉性能，因此工程中一些承壓的設(shè)備結(jié)構(gòu)常用灰鑄鐵來制作。同過這樣的分析，讓學(xué)生掌握各種材料的力學(xué)性能，在后續(xù)學(xué)習(xí)過程中能更加合理科學(xué)地進行材料的選擇，設(shè)計出更多高質(zhì)量低成本的新產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

金屬材料拉壓試驗虛擬測控平臺虛擬實驗采用AS為主，其他多種虛擬技術(shù)為輔的綜合技術(shù)，對金屬材料萬能試驗機設(shè)備、場景、試驗耗材及其力學(xué)性能表現(xiàn)等一系列相關(guān)試驗過程進行虛擬仿真，設(shè)計構(gòu)建虛擬材料萬能試驗機測量和控制平臺。通過這個平臺系統(tǒng)軟件的應(yīng)用，替代實際萬能試驗機硬件，節(jié)約實驗成本，豐富實驗項目，用“軟件”代替試驗機的“硬件”。虛擬材料試驗機具有計算機三維交互測控技術(shù)，讓學(xué)習(xí)者對虛擬試驗過程擁有和實際過程相似的體驗。一臺計算機就是一臺多功能試驗機。利用其測控平臺系統(tǒng)軟件較好的網(wǎng)絡(luò)兼容性和可移植性，可使每臺互聯(lián)網(wǎng)終端計算機都組建成為一臺多功能試驗機，節(jié)約實驗成本，豐富實驗項目，突破時空及人數(shù)限制，推動高校實驗信息化建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)資源化建設(shè)。