基于AS技术的材料拉压虚拟实验研究

郭德伟 李丽

（1.红河学院工学院 云南省蒙自县 661199 2.红河学院商学院 云南省蒙自县 661199）

1 引言

虚拟实验是一种新型的教学手段，相比于实体实验，虚拟实验综合运用了互联网技术、计算机技术以及虚拟现实技术，从而实现了对真实实验环境的模拟，使学生能够在模拟的实验环境中来开展实验，进而在确保学生自身安全的同时，还能有效培养学生的实践能力。不仅能使课前预习、课堂操作、课后练习与作业，以及课下答疑等教学环节在数字化课堂上灵活呈现，而且还可以极大地培养学生的动手能力、创新能力和探索新知识的能力，充分体现了“以学生为中心的实验教学理念”。因此，将虚拟实验引入到机械专业教学中，是实验教学模式的探索和改革，通过对虚拟实验系统的学习，可以更好地掌握机械基础理论知识，进一步加强传统教学实验，通过构建虚拟实验室来推动机械专业教学改革，这是非常具有重要现实意义的。

材料的拉压试验是材料力学课程中一个必修的实验，其实验目的就是对常用的金属材料进行力学性能的测定，掌握常用金属材料的合理选用原则。目前唯一可靠的获取力学性能的途径仍然是对材料进行拉压试验，而试验最为基本的仪器就是金属材料万能试验机[1]。绝大多数的金属材料试验都是静力学性能试验，因此用于教学和研究的试验机一般都选用综合性能较好、采用双空间、计算机控制的电子式万能试验机。目前国内市场上这类试验机的最低售价约在十万元人民币左右，而在每次实验教学中每台试验机最多可容纳五到十名学生使用，每一组学生操作一次试样至少消耗四个试样，费用近五十元，多次重复的试验加上各种试样耗材的费用，使这类实验仪器在教学中体现出的使用价值与学生人数间形成的“性价比”相对较低，很多教学经费相对不足的地方院校就不愿做这种“不划算”的硬件设备投入，在相关课程的教学中学生们就只能以图片或录像的方式来了解金属材料的这一宏观性能特征，对材料力学性能的相关知识得不到充分理解，使本应该是“试验”的过程变成了简单的“演示实验”，这将很大程度上影响对结构材料的合理设计和选用，学生工程设计质量将难以提高。若将金属材料万能试验机整个试验过程虚拟仿真化，用系统“软件”代替试验机的“硬件”，不但节约了成本，且通过互联网络终端能组建出更多的虚拟试验机“硬件”，让实验突破时空及人数限制，上述问题将得以解决。因此，对金属材料万能试验机测量与控制的一系列过程进行虚拟化研究将具有重要的现实意义。

随着各种计算机语言、软件等的多元化开发，在构建材料拉压虚拟实验的过程中所采用的技术也是多元化的，如利用C++语言[2]、Unity 3D平台结合SolidWorks使用C#脚本语言编程和UGUI界面设计[3]、VB 6.0[4]、CAXA、VRML和JavaScript技术结合[5]、3DS Max整合Authorware[6]、3DS Max结合ActionScript技术[7]等。

ActionScript（简称AS）技术，对于产品占有率曾经为世界97%，尽管该技术Adobe Flash Player平台已经停止研发和更新，但近十多年来在教学虚拟实验研究领域中这种技术以它特有的优势却仍具有较高的占有率。围绕金属材料万能试验机，目前使用AS技术的虚拟实验多表现为对材料变形的简单模拟，而且试样没有可选性，实验条件单一、试样变形单调，对整个试验过程进行系统虚拟研究的不多。

2 实验系统结构设计

2.1 虚拟实验平台整体构思

根据材料力学课程的实验教学大纲，首先对实体电子式万能试验机和试样变形机理进行研究，再利用虚拟现实与仿真技术建立万能试验机设备模型及虚拟场景，实现简单三维交互，同时对常用金属材料力学性能进行测试，建立其不同破坏条件下的力学性能模型及变形动态模型，利用AS脚本编程技术及其他虚拟现实与仿真技术，结合现代教育技术及评价手段，来设计构建交互式虚拟材料试验机测控平台。主要从实验仪器、耗材和软件系统三个方面开展建设。

（1）实验仪器建设，根据现有时代试金WDW-100E型电子式万能试验机，采用Pro/E或相关CAD软件建立试验机设备主体三维模型、设备各操控元件三维模型及实验室虚拟场景；利用所建立的三维模型，结合虚拟节点技术，并应用AS脚本编程技术及虚拟现实技术联合表现模型的三维场景交互，并建立各控制及执行元件的感应交互区。

（2）实验耗材建设，拟按照国家拉伸和压缩标准GB/T228.1-2010和GB7314-2005制备几种常用的金属结构材料（Q235、HT150及45#）试样，并根据试验机要求在不同破坏条件下进行测试，研究材料变形机理，获取材料力学性能的相关数据及试验应力-应变图谱；对数据及图谱信息研究分析，建立常用结构材料力学性能参数模型，并对模型的可靠性进行再验证，根据材料实际变形规律对模型进行改良和优化；根据破坏变形机理建立常用金属结构材料试样的变形动态模型。

（3）软件系统建设，合理采用XML、Web、数据库等技术，结合现代教育技术及评价手段，采用AS技术为主其他虚拟技术为辅的综合技术，将各虚拟仪器、模型、场景及各种常用材料力学性能模型整合形成一个系统，构建出具有较强交互功能的虚拟材料试验机测试和控制平台；通过时效测试及评价研究，对测控平台系统进行优化、改良，力求使其操作简单方便，仿真性好，真实感强。

2.2 试验机虚拟设计

材料试验机是力学性能测试最基本最重要的实验设备。本虚拟实验中试验机原始模型采用Pro/E三维设计软件构建每个细小零部件，并进行虚拟装配和运动模拟研究，将按规划设计好的效果较佳的视频资料制作成相应动画文件，并存为flv格式，利用AS技术进行整合，实现对试验机的内外部结构、运动状态及工作原理等多角度充分展示，其效果如图1所示。

图1：试验机三维效果

图2：系统软件结构

2.3 虚拟实验系统界面及结构设计

考虑教学需要及学生学情分析结果，从实验目的和要求出发，所设计的虚拟实验系统结构如图2所示，系统结构主要包括新手导航、实验指导、试验机介绍、进行实验和数据分析五个部分。在界面上点击左下角的“”按钮将进入软件导航模块，也即新手导航界面，在这里可以了解该虚拟实验系统的使用和操作情况，当鼠标停留在导航首页系统结构图不同模块位置，在空白处显示的基本情况说明是不一样的，以防止学生“迷失”。实验指导模块主要介绍该实验的目的、原理、实验内容、操作步骤、例题及思考题等，并提供实验报告单的下载。试验机介绍这部分主要是让学生了解电子式万能试验机的结构和工作原理。

进行实验部分是整个虚拟实验的主体部分，根据实验目的及要求完成相关实验，主要实现虚拟试验的拉压过程模拟及试验数据生成，并将数据记录进行储存。这个模块包括主控制区、信息显示与控制区、拉压曲线显示区、试样变形显示区和信息输入窗口几个部分。在界面左侧的主控制区，可输入工作过程中横梁运动的速度值或直接点击相应按钮进行速度的选择，也可手动按控制虚拟试验机横梁运动的方向，以方便试样的安装调整，还能控制整个虚拟实验的开始和结束等；信息显示与控制区显示了试验机在工作过程中试验力、试验力峰值、位移、变形和试验时间的数值变化，还考虑到引申计的安装和取下对各参数的影响，还可以控制各参数的回零复位处理。

2.4 虚拟实验过程设计及实现

在进行拉压试验之前，需要对系统及试样信息进行系列确认，主要包括试样的编号、材料、基本形状参数、试样标距等信息的输入，还有试验拉压模式的选择和虚拟试验机超载停机标准的设定等信息的输入，及试样安装过程中各试验数据的调整和清零等，本虚拟实验系统严格按照实际试验机的操作规范进行，保证虚拟试验的真实感。比如当你不进行任何实验信息输入直接点击“开始”按钮，系统会提示输入信息，并自动弹出“输入试样信息”窗口；当按下手动调整的上下按钮时，系统将判断是否取下有引申计，对引伸计进行保护，只有按要求确保已经点击“取引伸计”按钮，其警告窗口才能关闭，试验才能真正开始。另外一个重要的输入数据是速度，可通过直接输入，也可通过点击设计的按钮组进行选择，然后根据所选数值计算期间比例，计算各级速度档位差，对应滑动条行程及滑块的位置坐标，计算速度的增量百分比，在拖动滑动条时才能实现各期间档位变化和速度值的对应关系，最后将结合得到的值赋给实际速度，才能参与计算位移或变形的数值。默认初始速度为0，各级速度的档位差为0.005，为可以调整速度的最小值。

按下“开始”按钮或手动控制的“上升”或“下降”按钮，系统将对试验初始条件的判定，如是否输入信息参数、是否取下引伸计等，符合条件后各数据将按设置的速度开始运行。试样变形区调入与选择拉压形式对应的拉伸或压缩试样，界面上部试验力、峰值、位移、变形和时间将开始按给定的速度随系统时间每毫秒运算递增。其中峰值是当前值在每次循环过程中和试验力的值进行比较，取大值。当“取引伸计”按钮被点击，变形数值将由位移数值赋予，即两数值相等。此时试验力显示区利用当前试验力的值和前一个值之间的“line命令”相互划线，实现试验力随变形的变化曲线。

当试样最终破坏后，停止实验，点击左上角出现的“保存数据”按钮，系统将会以之前设定好的试样信息编号为数据名称进行保存，包括试样的基本信息，虚拟试验机的基本设置，每次试验的试验力、位移、变形、时间和速度等相关数据。所有参数及试验力随变形的变化数据将采用多维数组的形式进行转换，结合扩展标记语言XML技术的应用，结合“List 组件”的使用来实现将其存储到PC端操作系统中。点击数据目录树中的编号名称，可以实现数据的切换选择与管理，也可以对不符合要求或误操作保存的数据进行删除处理。

3 实验数据处理与分析

采用AS进行程序编写过程中严格各数据之间的关系，实现数据的输入和处理。试验曲线的实现采用分阶段、多函数进行曲线拟合，并在一定范围内采用多个随机数进行调控，防止实验结果数据的同质化。

通过点击数据保存界面左下角的“数字分析”按钮或者主界面上“数字分析”，可以进入对应曲线分析研究界面。选择目录树中数据编号，将从系统中调出之前储存的数据，并将这些多维数组的值从新赋予新的数组，以便在内存中完成新的数据计算，根据学生选定的试验力-变形、应力-应变、应力-时间等不同的曲线类型，将新数组中的值再对应读取来重新显示和绘制对应的曲线图，并根据其显示区域的大小，按比例最大化显示曲线，通过鼠标分别拖动上边和右边的参考标尺可以来测量曲线中特殊位置显示的数据，了解试样材料的力学能行，实现较佳的显示效果。参考标尺采用融入数值和参考直线的一个影片剪辑的方式，通过位置坐标相对于曲线起点坐标关系来显示转换后的数值。

图3：应力-应变图比较

图3显示了采用本虚拟实验得到的材料应力-应变曲线，a图所示为一种低碳钢拉伸时的应力-应变图，线性阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段都很明显，属于典型的塑性材料，利用辅助参考标尺可以看到屈服阶段最低位置大约为229.6，即材料的屈服极限约为229.6MPa，也就是要把这种低碳钢拉到屈服破坏需要大约229.6 MPa的应力。类似拖动参考标尺也可查看数据的最大值，即材料的强度极限约为420MPa，达到破坏时应变约为37%，更准确的数据获取可以根据对应变形情况查询储存数据得到。b图显示一种灰铸铁拉伸时的应力-应变图，和a图相比没有屈服阶段和缩颈阶段，甚至连线性阶段也不是明显，属于典型脆性材料，利用参考标尺可以看到最大破坏应力及强度极限约为255.8 MPa，说明要把它拉断破坏需要255.8MPa的应力。材料破坏时应变约为2.2%，说明变形较小就破坏。c图显示一种低碳钢压缩时的应力-应变图，线性阶段、屈服阶段很明显，参考标尺显示屈服极限约为234.9MPa，和a图相比材料的屈服强度比较接近，说明低碳钢材料抗拉性能和抗压性能差距不大。d图显示一种灰铸铁压缩时的应力-应变图，没有屈服和缩颈，参考标尺显示材料破坏时应变约为16%，强度极限约为755.6MPa，即要把它压坏需要755.6MPa的应力，和b图的相比强度极限约为拉伸时的3倍，说明灰铸铁材料的抗压性能要明显好于抗拉性能，因此工程中一些承压的设备结构常用灰铸铁来制作。同过这样的分析，让学生掌握各种材料的力学性能，在后续学习过程中能更加合理科学地进行材料的选择，设计出更多高质量低成本的新产品。

4 结束语

金属材料拉压试验虚拟测控平台虚拟实验采用AS为主，其他多种虚拟技术为辅的综合技术，对金属材料万能试验机设备、场景、试验耗材及其力学性能表现等一系列相关试验过程进行虚拟仿真，设计构建虚拟材料万能试验机测量和控制平台。通过这个平台系统软件的应用，替代实际万能试验机硬件，节约实验成本，丰富实验项目，用“软件”代替试验机的“硬件”。虚拟材料试验机具有计算机三维交互测控技术，让学习者对虚拟试验过程拥有和实际过程相似的体验。一台计算机就是一台多功能试验机。利用其测控平台系统软件较好的网络兼容性和可移植性，可使每台互联网终端计算机都组建成为一台多功能试验机，节约实验成本，丰富实验项目，突破时空及人数限制，推动高校实验信息化建设和网络资源化建设。