新工科背景下的材料力学虚拟实验仿真范例库建设

面向新工科创新拔尖人才培养,建设了材料力学课程专属的虚拟实验仿真范例库,尤其融入了火箭筒壳轴压稳定性分析与设计、冬奥滑雪头盔变刚度抗冲击设计等工程案例,构建了问题导引、交互、体验、反思为一体的信息化混合式学习场域,完善了材料力学科教融合工程化教学资源体系。该范例库基于Python语言建立了一系列标准构件及工程实例的建模与有限元分析参数化脚本,可实现典型工程结构的强度、刚度和稳定性有限元分析的自动实施与演示。在此基础上,本文还提出了材料力学课程全学习周期多元形成性评价体系,实现对学生新形势下学习状态与能力的诊断性评价,以促使学生合理制订学习规划并自主开展学习,使得虚拟实验技术的实际教学效果最大化。教学实践表明,该虚拟实验仿真范例库有利于培养学生工程创新能力,激发学生力学报国情怀,成为材料力学课程思政的重要载体。

     

轻质结构材料力学性能虚拟教学实验平台的开发与应用

结合“新工科”力学类人才培养体系的要求,开发了轻质结构材料力学性能虚拟仿真实验平台。该平台采用基于Unity3D的WebGL技术,能够开展轻质点阵夹层结构设计与力学性能的三维仿真实验;利用该平台学生可以进行轻质结构材料的设计流程训练、点阵夹层结构设计方法训练、点阵夹层结构力学性能实验表征方法训练,从而掌握轻质结构材料力学设计流程、设计方法以及设计原理,增进对轻质结构材料承载需求的了解。实验核心内容包括轻质结构材料典型单胞设计及力学性能实验表征,实验结果为满足承载要求的轻质结构材料尺寸及力学性能实验数据。实践证明,该虚拟仿真实验有效解决了新材料设计实验教学难度大、成本高、耗时长,以及实验资源匮乏、无法满足新时期本科教学的问题。     

材料力学实验教学改革的实践

利用实验室现有条件,拓展材料力学实验设备功能,提高教学效果,我们做了尝试,取得了一些经验．     

20年来我国材料力学实验课程教学改革文献综述

根据国内正式发表的文献,从教学理念改革与探索,教学内容改革与创新,教学方法改革与实践,教学考核改革与配套,教学设施改善与计算机应用等5个方面,综述了20年来我国材料力学实验课程教学改革理论与实践,并提出了作者的建议.     

材料力学实验教学中的光弹性实验改革

介绍了对材料力学实验教学中的光弹性实验进行改造并同弯曲正应力实验合并,从而形成新的光弹性实验的改革情况.     

振动力学、材料力学关于压杆稳定的综合实验

振动力学、材料力学关于压杆稳定性的综合实验可以拓宽学生思维与研究的空间，改善了人力资源和物质资源的利用效率，并具有实际的工程应用价值。     

岩土力学虚拟实验仿真系统开发及其应用

数值试验是认识岩土材料细观与宏观力学行为的一种重要手段,是常规岩土力学实验的补充和延伸.本文以pfc颗粒流为平台,利用matlab和fish语言混合编程编写了岩土力学虚拟实验仿真系统,系统根据获取的岩土材料天然结构构造图像信息,可以生成含不同天然结构构造信息的岩土体试件.可以对不同规格试件实现伺服加卸载,可以监测任意点的应力应变信息,可以捕捉试件加卸载过程中的边界输入能量和摩擦能、动能及应变能的转换信息,捕捉试件的最终破坏形态和破坏过程中裂纹扩展信息及不同类型裂纹的数量演化信息.利用其可以研究岩土材料天然结构构造特征对其宏观、细观力学行为的影响.     

超声波对金属材料性能影响实验研究

通过对紫铜和低碳钢在超声波作用下材料特性的实验研究，探讨此类材料的一些特殊表现诸如屈服点降低，硬化率降低和延伸率降低等．建立了一套超声波材料拉伸实验系统，给出材料特性变化的实验数据并对这些特殊现象的形成机理进行初步探讨．给出了韧性金属材料在超声波作用下的本构方程，并与实验结果相比较，结果表明理论分析与实验结果一致     

微构件材料力学性能测试方法

随着MEMS的商业化进程,微构件材料力学性能的研究成为越来越重要的一个课题。微小试件的制备、安装、夹持、微驱动、高分辨率的载荷和位移测量等技术问题都是对微构件材料力学性能测试的很大挑战,很多传统的测试方法和装置已经不再适用了。近十几年,国内外学者发展了一些微构件材料力学性能的研究方法,来测量微构件的弹性模量、屈服强度、断裂强度、残余应力和疲劳强度等。本文从实验系统的集成度出发,将这些测试方法大致分为片外测试和片上测试两类。本文对单轴拉伸法、纳米压痕法、鼓膜法、微梁弯曲法和衬底曲率法等典型的片外测试方法和一些典型的片上测试方法进行了介绍,并比较了各自的优缺点。     

自修复体系中微胶囊壁材力学性能的测试与表征

微胶囊自修复技术成为研发自修复聚合物材料的主要途径。由于尺寸效应的影响和制备工艺的差异,有必要表征和测量自修复体系中微胶囊壁材的力学性能。本文从微胶囊中直接剥离出微胶囊壁试样进行纳米压痕测试,通过数据拟合和和量纲分析的方法,建立载荷-位移(P-h)曲线与微胶囊壁材弹塑性力学参数之间的联系,分析得到了微胶囊壁材的弹性模量和特征应力值(σ_0.033),进而得到微胶囊壁材的应力-应变本构关系。     

中应变率材料试验机的研制

本文全面介绍了自行研制的中应变率材料试验机的基本情况,此试验装置可在0.1s^-1-50s^-1应变率范围内对哑铃状圆柱试件和哑铃状扁平试件进行拉伸及加卸载实验,对圆柱状态 试件进行了压缩及加卸载试验,通过采用液压驱动、分级调速、缓冲撞击等技术产生上升沿陡峭的平衡加载脉冲,从而实现中应变率试验;通过自定心夹具、液压缸的精密共轴保证试验的可靠性;辅以定位装置实现对试件的加卸载;同时通过力传感器及配套研制的高动态应变仪、光学引伸仪完成应力、应变的测量,经实验考评,表明装置是可靠的。     

虚位移场方法在石墨材料力学参数测量中的应用

光测实验技术在现代力学研究中得到了广泛的应用。对于材料力学参数如杨氏模量和泊松比的测量,可利用典型加载试验如拉伸试验、弯曲试验并结合光测方法(如云纹和数字图像相关技术)得到位移值,利用载荷信息和应变场信息通过计算获得相关的力学参数。本文利用虚位移场方法测量石墨材料的力学参数。结合石墨材料的三点弯曲实验,由数字图像相关法测量得到试件表面的非均匀变形场。通过选择两组不同的虚位移场,可以反算出材料的力学参数:杨氏模量和泊松比。结果表明这种方法可以有效测量石墨材料的弹性参数。该方法可望在材料力学行为检测中得到推广应用。     

电测虚拟实验探讨

介绍了自行研制的多媒体教学软件虚拟电测实验系统。该系统是在采集真实的实验图片和真实的实验数据基础上使用Visual Basic编制而成的。它完全模拟实际的实验环境和实验过程,能够完成电测的基本实验,如电阻应变片灵敏系数测定、材料弹性常数的测定、纯弯曲梁截面正应力分布的测定、主应力的测定等实验项目。制作该虚拟实验系统的目的是为了给学生提供一个预习的工具,让学生在进入实验室做实验之前就基本掌握实验的全过程,提高其对实验课的学习兴趣,同时也可以缓解实验教学设备不足与实验教学设备利用率低下的矛盾。实践证明:使用该系统教学与传统的教学过程有着明显的不同,它使学生由被动地参与教学过程变成主动地学习,这有利于知识的获取与掌握,此外,对于实验条件不足的困境也起到了一定的缓和作用。     

薄壁管件周向力学性能测试装置及方法

为克服现有技术方法中难以精确测得薄壁管件周向力学性能的弊端,本文提出了一种管件周向力学性能测试装置及测试方法,介绍了该装置的结构及测试原理,并基于有限元软件ABAQUS模拟了整个测试过程。测试结果表明该测试方法的有效性和可行性。最后利用该测试装置对69111不锈钢管件进行了挤胀实验,获得了薄壁管件的周向力学性能数据。该测试方式能有效解决材料各向异性造成的小尺寸薄壁管件周向力学性能的测试技术难题,能直接、有效的测得薄壁管件的周向力学性能。     

泡沫材料准静态力学性能实验研究

利用INSTRON-1185型万能材料试验机在准静态加载环境下对不同密度的聚氨酯泡沫的抗压、抗拉及抗弯性能进行了较系统的实验研究,分析了聚氨酯泡沫材料的力学性能及吸能特性随表观密度的变化规律.研究表明,聚氨醋泡沫材料的杭压性能优于其杭拉性能,该材料具有良好的吸能特性,且其吸能特性随密度的增大而提高.     

碳质双层纸基摩擦材料的摩擦磨损性能研究

采用抄纸工艺制备碳质双层纸基摩擦材料,采用惯量摩擦试验方法研究双层纸基摩擦材料的摩擦磨损性能.结果表明:碳质层的摩擦力矩在制动初期上升较快,中间过渡区平稳,尾部翘起较小;在制动压力小于0.28 MPa时静摩擦系数小于动摩擦系数,且动、静摩擦系数均随制动压力增加而减小;相对纤维层而言,采用碳质层摩擦时摩擦力矩曲线形态更好,连续制动时摩擦系数波动较小,磨损率低且能够有效保护偶件,是1种静/动摩擦系数比较低且适用于高载荷工况条件下使用的摩擦材料.     

数字图像相关法在相似材料模拟试验中的应用

利用相似材料模拟试验研究印度某矿长壁开采采场厚硬顶板的破断规律,针对试验中传统的位移测量法的不足,引入了数字图像相关法。通过恰当布设模型、合理控制光照强度,实时用高分辨率数码相机拍摄模型在开采过程中的表面变形图像,借用数字照相图像分析与结果可视化应用软件系统GeoDPDM对序列照片进行相关性分析,得到了开采过程中上覆岩层变形的位移场和应变场。将分析结果与传统测量方法所得结果对比,得到两种方法具有较高的一致性,并将测试精度提高到0.6mm/pixel,成功实现了大范围模型变形的全场、非接触式测量。