基于可視化技術的材料力學實驗課程創新與設計

黃 凱， 王正直， 吳文平， 何 勇， 尹 顥

（武漢大學土木建筑工程學院，武漢 430072）

0 引 言

新工科背景下，“學科交叉性”顯著的材料力學實驗，是眾多高校本科專業實驗科目中的必修之課，是與工程項目、產業應用和科學研究密切聯系的一項綜合性實驗［1］。實驗課堂教學質量對大學生的綜合實踐能力的培養起到關鍵作用［2］。然而經過多年的課堂教學，發現相當一部分學生對材料本征、受力狀態和宏觀變形行為，這幾種“聯動影響，互相印證”的概念和現象理解還不是很清晰，對其作用機制了解程度較低，導致了實驗做完后，只知道發生了什么實驗現象，而不清楚這些現象背后的機理。這不僅影響了基礎知識的吸收，也會導致人才培養的滯后，因此材料力學實驗課程的改革創新勢在必行。基于多場耦合監測技術手段的創新，對主要實驗課程內容進行了可視化設計，利用多媒介對實驗授課形式進行了優化，從觀測角度豐富了實驗內容，旨在讓學生看清實驗現象背后的“本質”。

1 基于可視化技術的材料力學實驗課程的創新內容

材料力學本科基礎實驗課涵蓋了拉伸壓縮、扭轉、彎曲等多項綜合實驗，這些分項實驗區分并驗證了材料的固有屬性，又重點關注材料的受力和變形行為（宏觀和局部）［3-5］。課程內容設計的重點是為了讓學生充分了解材料受力時變形演化的機理，加深對材料力學行為的認知。為達到此效果，行之有效且直接的辦法是將實驗過程中難以觀測的特征要素用視覺圖的形式表現出來，帶給學生強烈的感官感受，引導學生對實驗原理自主思考和充分理解。因此對材料力學中幾個主要課程內容進行了創新設計，力求用新技術充分展示材料力學中那些典型、重要卻又難以理解的知識點。

1.1 拉伸壓縮實驗

可視化技術包括紅外熱像技術、形貌圖像技術和數字散斑相關技術（DIC），可分別系統表征出材料的表面溫度場、形貌場和應變場［6-8］。由于物體在形變時，發生體積應變變化，因此同時會帶來溫度改變，這一經典熱力耦合現象是材料受力時的伴生現象［9］。而傳統實驗里這一項并不在探究范圍內，只是在試驗結束后讓學生去接觸試件感受溫度變化，學生只知其然，不知其所以然。溫度變化可能由于彈性、塑形或者相變等引起，不同的受力變形機理有著不同的溫度場［10-11］。因此在試樣受力時對其進行同步紅外熱像觀測，用溫度演化去輔助解讀拉伸壓縮的荷載-變形曲線上的不同階段，這對于理解材料力學性能起到了重要的促進作用。

以灰口鑄鐵和Q235 低碳鋼拉伸實驗為例，如圖1所示，灰口鑄鐵在拉伸過程中，軸向伸長體積膨脹，由于熱膨脹系數為正，從而導致溫度單調下降，在破壞的瞬間，僅在斷口處有熱量釋放。Q235 在加載第1 階段是彈性變形，在曲線上是線性變化，由于體積應變為正，此時溫度出現下降趨勢。第2 階段為屈服，理論上可以看到45°滑移線，但往往受反射光線和觀測空間所限，較難用肉眼觀測，而屈服初期是材料塑形變形的開端，是微觀形變導致宏觀失穩的表現［12］，滑移線上的溫度出現突然上升，此時學生可通過熱像圖清楚地看到45°滑移線的形成，進而驗證了該理論知識點。隨著滑移帶在軸向傳播，微觀塑形區逐漸增加，同時溫度也會沿軸向傳導，形成溫度梯度。第3 階段由于塑性變形導致了溫度明顯升高，且隨著塑性累積越多，溫度越高。第4 階段是試樣在局部發生變形破壞，局部頸縮區域的溫度會進一步升高，在裂紋處達到最高值，可以看到較為明顯的邊界。基于彈塑性理論分析，通過溫度視角，將這4 個階段分解成熱像圖，同步可視化教學，既挖掘了深度，又激發了學生探究的熱情。隨著測試技術逐漸成熟，除了常規的脆性、塑性材料外，該教學實驗更加適應多場耦合效應更顯著的其他材料，具有較強的普適性。

圖1 灰口鑄鐵和Q235低碳鋼在軸向拉伸下紅外熱像圖及選區溫度隨時間演化關系

1.2 梁的彎曲實驗

目前梁彎曲教學實驗中應變測量主要采用電測法，優點在于設備原理簡單，操作方便，實驗數據精確，但也存在著一些缺點，如僅限于小范圍彈性變形（＜2%），應變僅能數字化多點顯示［13］。學生看不到到梁截面上的變形，只能通過數據擬合才能求取應變分布，導致對微應變在概念上較為模糊。因此將現有裝置進行了改良，利用同步數字圖像相關（Digital Image Correlation，DIC）技術進行測試，增大檢測范圍（彈塑性），可實現全場檢測。試件受力時會在X 和Y 方向（軸向與垂向）上連續變形，利用光學相機同步原位捕捉位移變化，并導入顯示器，可高清實時地進行觀測、分析和處理，以應變云圖的方式原位顯示表面的應變狀態。如彎曲實驗中，檢測彎曲正應力時選擇X 方向，獲得該方向上的正應變εxx在整個試件上的分布云圖。通過應變標尺可清楚看到中性層與兩個表面之間應變梯度，從而驗證了正應力在截面分布的規律。以具體實驗為例，如圖2 所示，在三點彎梁跨距中軸受到頂部集中荷載時，截面上的彎矩梯度導致正應力和切應力在不同位置上分布的差別，其中彎曲正應力的最大值在梁上下兩邊表面（大小接近、符號相反），而在中性層的軸線接近為0，越靠近梁跨距中軸應變梯度越大，所選線段的斜率（應變梯度/截面長度）越大。在大變形懸臂梁實驗中，上表面受拉、下表面受壓，端部的彎矩最大，兩個表面的應變梯度也很大（見圖2（b）中線L1）；遠端彎矩最小，應變梯度也小（見線L4）。記錄數據時可選擇云圖上任意點或線來獲得選取的應變大小及分布，操作簡單，流程清晰。該彎曲實驗課程內容將彎矩的作用圖像化闡明，更加新穎直觀，所使用的新技術手段更符合現代多媒體可視化互動教學。

圖2 三點彎梁和大變形懸臂梁實驗的DIC應變云圖及所選線應變大小及分布

1.3 材料斷裂破壞實驗

該課程研究對象是帶有I 型裂紋的預制缺口試件，主要關注兩個關鍵點，一個是裂尖應力強度因子KI，另一個是斷裂韌性KIC，也就是裂紋擴展時應力強度因子的臨界值［14-15］。其中裂尖強度因子KI的傳統測試實驗主要是基于光彈法，而該方法主要是通過加工跟試件同尺寸的樹脂模型來代替受載，其優勢在于可以將應力狀態用光的干涉和衍射花樣來表示，缺點在于非該材料的本征表達［16］。為解決這一問題，基于變形熱力學理論分析，可知裂尖K 主導的塑形區和彈性區有不同的體積應變產生，從而導致不同區域的溫度變化。塑性區半徑約為（σs為屈服強度），其作用區域是一個非常小量，其產生的熱量很小，容易被傳導耗散，而彈性區半徑約為0.2a（a 為裂紋長度），范圍大且產生彈熱效應較為明顯，并且該區域中體積應變和溫差是線性關系。而在同一尺寸、相同荷載下，取點KI與裂尖距離無關，學生可在K 主導區中心沿著裂尖呈0°的軸線上等距離取點，發現隨著離裂尖越遠，測點溫度差越低。隨后將所有取點的距離開方和溫度值求得的體積應變導出到作圖軟件，獲得散點分布，其斜率就代表了KI。因此可利用紅外熱像技術同步檢測和實時記錄加載過程中裂尖溫度變化的全過程，從而獲得試件上裂尖KI估值，如圖3 所示。這種原位檢測方法的優點在于可以將應力-應變場的概念具象化，轉化成帶有梯度邊界的熱像圖，方便實時監測和分析，是對KI理論知識點強有力的印證。同樣在測量KIC時也可利用高速攝影DIC 技術來分析裂尖應力、應變和位移場，如檢測沿X 軸上微散斑位移，獲取該方向上的應變云圖，從而顯示裂尖K 主導區；分析裂紋尾跡線上各點的位移場形成扇形云圖，獲得開口位移與距離裂尖長度，顯示呈單調變化。該課程內容改善了利用荷載-裂紋開口位移曲線測量KIC的單一性和偶然偏差性，驗證了裂紋張開時的原位應力場狀態，更有利于斷裂韌性的確定，為實際教學作出了良好補充。

圖3 裂尖檢測全過程的可視化結果

2 教學儀器設備的綜合改造

基于上述多個課程新增的內容，為滿足同步原位測量的實驗要求，將不同儀器設備功能融合，開發更具教學特征的儀器設備，并將不同儀器設備連成系統性的綜合裝置，盡量簡化與教學實驗無關項，提高學生使用效率。綜合改造主要為設備功能開發與優化、軟硬件配置優化這兩方面。

（1）將現有設備功能深度開發，從細節上優化教學實驗。例如，在拉伸壓縮實驗中，為了實現同步測量，將材料測試機、紅外熱像儀和高清攝像機加裝了5 V同步觸發外設，并設置了激發信號，可同時觸發3 臺設備，時間延遲接近0，這樣的改進能使得學生在清楚看到變形的同時，溫度和形貌是如何按照曲線上的關鍵點進行演化的。又如，在利用DIC 技術測彈性模量和泊松比實驗中，開發了多軟件同步管理系統，可以同時顯示幾種不同軟件的界面，實現多界面操作并且互不干涉，使得非接觸式測量與機械式引伸計測量可同時進行，擴展了學生的實驗思維。還有，在疲勞實驗教學中，開發了一套目標運動跟蹤軟件，可以跟蹤標記后的裂紋，并顯示尖端區域標記的開口位移變化，方便實時監控和對比處理。

（2）綜合裝置的創新，發揮可視化教學實驗優勢。實驗教學經驗表明，利用電子拉伸試驗機做可視化拉壓破壞試驗，有教學上的優勢，主要表現為大尺寸試件變形破壞明顯、學生容易被實驗現象吸引，但也存在著一些劣勢，如所需空間大、設備受限、學生實際操作過程少，多數依賴于演示和觀察。為改善教學上存在的這類問題，設計了一套綜合性實驗裝置，可適用于梁、板以及其他類型的拉壓、彎曲、剪切等試驗。改造內容包含兩個主要部分，首先搭建了一套多功能加載裝置框架，在一端固定放置一臺小型手動拉伸架（自主研發），帶有荷載傳感器、標尺、數顯儀和夾頭接口，適用于各種材料小尺寸試件的靜態拉伸，適合學生動手，方便觀察和讀數；其次了建立了一套同步高清連續采集攝像裝置，將承載相機的云臺安裝在框架底座上的導軌內，可沿著X，Y 兩個方向移動，便于調節焦距及固定位置。相機選用高分辨微距鏡頭（可拆卸更換型號），帶有輔助燈光，hdmi 口及usb 接口，并將拍攝的圖片傳輸到顯示器，類似于工具顯微鏡的功能（圖像分辨率可達0.03 mm 每像素），可快速檢測手噴散斑的大小和質量，實現原位加載連續拍攝。采集系統可以將連續照片按時間排序并重制編號（省去手動編排），之后再導入到DIC 分析處理軟件系統，實現測量。改造的綜合裝置重量較輕、所占空間較小，可放置在實驗桌臺上，50 m2的實驗教學教室可以至少放下12 套，非常適合于統一演示、教學和分組測量。

3 基于可視化實驗教學的課堂改造與課程設計

由于可視化實驗內容更加豐富，對實驗教學課堂提出了更高要求，因此對傳統教學課堂進行了改造和布置，尤其注重細節。例如拉伸壓縮實驗課堂，一般情況下，平均5 人1 組，共分3 組，試驗步驟一般分為試件尺寸測量、試件噴涂與加載測試。改進后的多場耦合可視化課堂在分組不變的情況下，需要對工具和場地進行優化。為了實現試件同步測溫，需添加實驗工具，如按試件尺寸定制的覆蓋模型、噴灌、熱風機等，表面均勻噴涂黑漆，保證紅外輻射均勻且不受干擾。為預留專業通風的場地供學生操作，將現有試驗區進行規劃改造布局，方便現場演示和實際操作。加載測試所用到的設備為電子拉壓試驗機、紅外熱像儀、高清攝像機和數據處理顯示終端。為了在加載時同步觀測試件的形貌場和溫度場演化，設備應按照最適合給學生演示的位置提前進行擺放，且在放置后標記固定位置，可重復使用，節省準備時間。為了便于實驗時同步觀測荷載-變形曲線、溫度演化和形貌變化，需要將這3種觀測界面優化放在顯示終端上，并做好時間同步。顯示終端與試件本身處于一個高度空間，既不影響學生觀測試件，也避免了漏掉實驗現象。

實驗課程設計主要包括：實驗海報設計、模塊分工（精細化分組）和實驗報告。實驗海報充分凝練課程內容要點、體現實驗目的、歸納實驗方法，附操作細節圖解，盡量做到“精”和“高亮”，讓學生理清思路、抓住重點。與傳統板書不同，海報可做成移動式框架，并用記號筆標記和擦拭，可跟隨不同功能區域擺放，發揮提示功能。實驗開始前，預制了模塊分工表格，表格上有分區標示。例如拉伸實驗，5 人1 組，1 人負責尺寸測量，2 人打磨試件并噴漆，1 人負責安裝調試等，由不同成員牽頭完成各項準備工作。此過程中，實驗老師起到引導和核查作用。不同分組按照區域由指導老師帶隊引導，使得實驗程序高效但不雜亂，讓學生專注于實驗、享受實驗過程。實驗報告做了內容上的改動，多元化考查學生在課堂上學到的知識吸收情況。例如，添加了“在低碳鋼的拉伸過程中，你觀察到了那些熱力耦合現象，請結合荷載-位移曲線進行描述”“散斑尺寸大小和散點分布對所測的應變值有哪些影響”“由觀測的應變云圖和熱像圖，畫出裂尖K 主導區示意圖”等論述題。學生在做題時，可用回顧課堂實驗海報，幫助鞏固所學知識。通過批閱不同專業學生的實驗報告，發現課程確實加深了學生對于熱力耦合現象、受力狀態和變形機制之間聯系的認識。

4 結 語

材料力學教學實驗引入了最新的多場同步觀測技術，將發生的熱力耦合宏觀和微觀現象以可視化的紅外熱像圖和全場應變云圖的形式進行詮釋，對主要課程內容進行了設計編排，在教學內容科學性上為新工科實驗課堂作出了創新。主要新增了不同材料的拉壓、彎曲、斷裂等實驗中相應的熱力學內容，開發了儀器設備的新功能，整合成系統性的教學儀器，并設計了深入淺出的互動式實踐課程，有利于學生充分了解材料力學的關鍵知識點，更為直接地啟發學生，引導他們在課程中思考和探索，開闊他們的科學眼界，切實提高了學生的參與積極性。

·名人名言·

天才的最基本的特性之一——是獨創性或獨立性，其次是它具有的思想的普遍性和深度，最后是這思想與理想對當代歷史的影響，天才永遠以其創造開拓新的、未之前聞，或無人預料的現實世界。

——別林斯基