材料破坏过程可视化实验教学方法研究

基于数字图像相关技术,提出材料破坏过程可视化的实验教学方法,并以混凝土材料为例,介绍该方法在劈拉与单轴压缩实验中的应用及其效果。通过监测混凝土劈拉与压缩破坏过程,分析了该材料破坏模式,揭示了混凝土材料劈拉与压缩破坏机理。应用数字图像相关方法获得试件表面应变场分布,验证了材料破坏机理,并提出适用的破坏强度理论。     

材料破坏过程可视化实验教学方法研究1)

基于数字图像相关技术,提出材料破坏过程可视化的实验教学方法,并以混凝土材料为例,介绍该方法在劈拉与单轴压缩实验中的应用及其效果。通过监测混凝土劈拉与压缩破坏过程,分析了该材料破坏模式,揭示了混凝土材料劈拉与压缩破坏机理。应用数字图像相关方法获得试件表面应变场分布,验证了材料破坏机理,并提出适用的破坏强度理论。     

可视化渗透破坏实验装置研发及土力学实践探索

传统土力学实验无法展现土体内部渗透变形,使学生难以直观理解土体渗流的基本原理。利用人工合成透明土材料,融合粒子示踪、断层成像和数字图像处理等技术,研发了可视化渗透破坏实验装置。以砂砾石管涌为例,直观展现了土体渗透破坏孕育–发生–发展–破坏全过程颗粒运移特征,论证了实验装置的可靠性。在此基础上,提出了以学生自主创新为主体,实验技术教研平台、实验课程学习平台和产学合作协同育人平台“三台一体”新的教学模式。

     

材料断裂力学性能的多场耦合测试与实验教学探讨

金属材料的断裂测试实验是全面了解材料力学性能的重要一环，目前实验教学中广泛采用的方法是通过测定断裂后试样断口的特征裂纹长度来获得断裂韧度，但缺乏对裂纹演化全过程的直接观测，限制了学生对断裂指标判据、破坏形式和断裂机理的深入理解。为了使学生更加直观、全面地掌握断裂力学实验、理解断裂力学行为，本文提出一种多场耦合同步测试材料断裂行为的教学模式：通过高频高精度红外与高速显微数字图像相关技术，对裂尖温度场与应变场进行实时检测，从而实现对裂纹长度的同步测定、裂尖塑性区的可视化表征以及断裂特征的捕捉和分析；结合经典断裂力学理论，对不同条件的断裂韧度教学实验进行了探索和改进。初步教学实践表明，该课程丰富的实验内容和新颖的观测现象可以加深学生对断裂力学理论的理解，从而拓展学生解决实际科学问题的思路。     

高速切削实验平台在力学实验教学中的应用

传统的力学实验已无法满足研究生创新性实验教学的需要。为了使研究生在科学研究中掌握实验分析的基本方法和技能,本文基于Hopkinson压杆加载技术建立了一套高速切削实验系统。该实验系统作为一个科研平台,能够实现切削过程的瞬态冻结并完成变形场和切削力的实时测量,可为高速切削机理研究提供基础实验数据。同时,该实验系统也是一个综合性的实验平台。基于该平台,可以完成金相分析、光栅光纤测力、变形场测量以及塑性本构分析等力学实验教学。高速切削实验平台将力学实验与科学研究相结合,有利于培养研究生独立分析与研究的能力,为研究生未来的科研工作打下基础。     

线黏弹性材料数字图像相关实验教学探索

线黏弹性理论是固体力学原理课程的重要内容,目前实验教学一般采用电子万能试验机对线黏弹性材料进行单轴拉伸实验,实验结果不够直观。数字图像相关方法是一种高精度全场应变测量方法,近年来在实验力学领域应用广泛。本文以固体推进剂这种线黏弹性材料为例,采用数字图像相关方法设计了线黏弹性材料单轴拉伸实验,实现了全场变形测量并且实验结果可视化更直观,有助于调动学生积极性。实验发现,数字图像相关方法与国标规定的固体推进剂单向拉伸法测量的材料应变有明显差异,针对该问题设计了实验教学研讨环节,引导学生深入分析,有助于加深对线黏弹性理论的理解。

     

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。     

基于数字图像相关方法的材料力学实验教学探索

实验教学是培养学生实践和创新能力的重要手段,如何在有限的实验学时条件下,开展丰富高效的力学实验、关联更多的理论知识点是材料力学教学改革亟需解决的问题。本文引入数字图像相关（digital image correlation, DIC）方法,以带孔低碳钢拉伸和高温镍基合金热变形测量等试验为例,对材料力学实验教学进行改革探索。实践表明,基于DIC方法的实验教学可充分发挥出DIC全场变形可视化、测量过程简单、快速精确等优势,显著调动了学生的学习兴趣,加深了学生对多个关联知识点的理解,同时启迪了学生的科学创新意识。

     

深水钢悬链线立管触地区疲劳实验系统设计

深水钢悬链线立管(steel catenary riser, SCR)触地区易发生疲劳破坏, 且疲劳寿命预测问题是目前理论计算与数值分析的难点, 通过实验能更好地促进理论和数值研究. 因此在相关理论研究基础上, 设计一套SCR触地区疲劳实验系统, 模拟实际工作状况, 考虑张力、弯曲、内外压与管土相互作用等因素的变化组合. 该实验系统为以后开展深水立管疲劳实验、研究SCR触地区疲劳破坏机理以及准确预测SCR触地区的疲劳寿命奠定基础.     

三线摆测刚体转动惯量:实验改进与教学体会

三线摆测量刚体转动惯量是工科大类基础力学实验教学中的重要一环.尽管该实验已经过多年的教学实践和改进,但学生的实验结果常不尽如人意,这极大地挫伤了其学习积极性.本文介绍浙江大学力学实验教学中心实验团队近年来对三线摆实验所做的诸多改进及教学体会,以期能起到抛砖引玉之功.     

工程问题中有效应力原理的应用与理解

有效应力原理对土力学理论发展、工程实际问题的解决起到重要作用,它的提出是土力学发展成为一门独立学科的标志. 准确理解和使用这一原理,是土力学本科课程教学中的一个关键. 基于有效应力原理,从理论角度分析了垂直砂质边坡稳定性、负孔隙水压力问题及"楼歪歪" 工程事故等问题的力学本质;其分析方法及思路,能帮助学生加深对有效应力原理的理解和解决工程问题能力,为土力学课程提供教学参考.     

国外土力学本科教学探讨——以挪威科技大学为例

 教材建设、课堂教学以及实验教学是工科本科生培养的一个重要环节, 本科教材编写 和教学也要与时俱进, 不断创新、发展和提高. 土力学作为土木工程等专业一门重要专业基 础课程, 一直受到各相关高校普遍重视. 文中从教材编写、教材内容、国外课堂教学以及实 验教学等方面阐述了国外土力学教学的特色, 希望能对国内的土力学教材编写和课程教学有 一定的参考.     

数值实验在流体力学实验教学中的应用探讨

为强化学生对流体力学课程理论知识及实验教学环节的掌握,本文针对传统实验教学过程中受限于硬件设施、模型等问题,将数值模拟技术与流体力学实验教学相结合。以伯努利实验为例,应用数值模拟软件进行物理建模、网格划分、变参数数值模拟等实验内容,通过压力云图、流线等模拟结果对能量转换特性进行了分析,增强了学生对流体力学理论知识及相关参数的物理意义、变化特征等的理解,使学生在实验中产生强烈的“参与感”,有效地提高了教学水平和教学质量。     

数字孪生虚拟仿真平台在土力学实践教学中的应用初探

实践教学是土力学教学中必不可少的环节,高校现有条件和外部环境难以满足日趋多元化的实践需求。利用虚拟仿真与物理模型相结合、线上教学与现场教学相结合、理论学习与工程实践相结合的教学方法,开发构建数字孪生虚拟仿真实验平台,并对土力学实践教学模式进行了有益的探索。以矿区地表变形监测为例,直观展现地表变形、仪器布设、变形监测及数据处理全过程。研究成果表明,数字孪生虚拟仿真平台有助于培养学生创新精神及实践能力,符合现代岩土工程实验技术的发展方向。

     

DISCUSSION ON THE APPLICATION OF NUMERICAL EXPERIMENT IN EXPERIMENTAL TEACHING OF FLUID MECHANICS

为强化学生对流体力学课程理论知识及实验教学环节的掌握,本文针对传统实验教学过程中受限于硬件设施、模型等问题,将数值模拟技术与流体力学实验教学相结合。以伯努利实验为例,应用数值模拟软件进行物理建模、网格划分、变参数数值模拟等实验内容,通过压力云图、流线等模拟结果对能量转换特性进行了分析,增强了学生对流体力学理论知识及相关参数的物理意义、变化特征等的理解,使学生在实验中产生强烈的“参与感”,有效地提高了教学水平和教学质量。     

微型触探仪的研制及粉质粘土中的静力触探试验研究

研制了一种新型的微型触探仪,该仪器能对贯入阻力与贯入深度数据进行自动采集。同时为了进行微型静力触探试验研究,研制了一套新颖的土样制作装置。通过用微型触探仪对粉质粘土进行静力触探试验发现,触探曲线与锥头锥角没有必然的联系,而且其初始段为直线段。对粉质粘土,当锥头贯入到一定深度时,锥头阻力将趋于稳定,这是由不同围压下土体的不同破坏机理引起的。通过对触探曲线上的特征值与土力学参数之间的关系进行分析发现,无量纲锥头阻力系数和tanφ(φ为土的内摩擦角)成近似的线性关系。另外,还得到了锥头极限阻力与临界深度之间的经验关系。     

用爆破挤淤法处理陆上软基

研究了爆破挤淤法在陆上应用的机理;基于土力学与爆炸力学的基本理论,得出了能反映布药参数与淤泥参数的用药量公式;结合现场试验,给出了陆上爆破挤淤法的施工工艺和检测方法,并就试验过程中出现的现象进行分析;检测结果表明,爆破挤淤技术可以满足特殊条件下软基处理要求。     

花岗岩破坏过程能量演化机制与能量屈服准则

为了明确岩石破坏的能量演化特性，结合单轴实验和颗粒流程序获得花岗岩的细观力学参数，进行不同应力状态的花岗岩实验，研究不同围压下花岗岩破坏过程的能量演化机理并推导能量屈服准则。获得以下主要结论:花岗岩破坏过程中低围压下内部损伤出现较早而高围压较晚，表明低围压花岗岩内部损伤是渐进发展过程，而高围压下内部损伤一旦出现便快速发展破坏；高围压花岗岩峰值前一定应变范围弹性应变能基本保持不变，吸收的能量全部转化为耗散能，表明高围压破坏时花岗岩内部损伤程度严重；弹性应变能经历不断积累并达到弹性储能极限而后减小的变化过程，而弹性储能极限与围压之间存在线性变化规律，因此高围压下岩体开挖卸荷时极易诱发大量弹性应变能的急剧释放，引起围岩失稳甚至发生岩爆；花岗岩峰值破坏时的能量比与围压无关，为一定值；基于能量原理导出了能量屈服准则，该准则包含岩性参数和所有主应力，能够综合反映岩石破坏影响因素。     

流体饱和下高孔隙率储油砂岩力学特性及本构模型

通过对其力学实验结果的分析,以两种破坏理论对油及水饱和下大孔隙率储油砂岩的破坏特征进行了解释,并应用塑性力学的盖帽模型建立了油及水饱和下大孔隙率储油砂岩的本构模型,并应用非线性有限元法进行了数值试验,结果表明,该文提出的模型与实验资料吻合良好,且能较好地模拟大孔隙率砂岩的几种破坏机理及模拟注水采油引起的砂岩附加沉降.     

数字图像相关法观测剪切应变场教学实验

基于上海大学自行研制的数字图像处理系统,开发了观测板状试样剪切应变场的实验教学项目,可测得应变的全场分布情况,并将数字图像相关法的实验结果与引伸计法进行了比较。该教学实验有助于加深学生对剪切应变概念的理解,培养科研兴趣,有利于提高学生的综合素质。