基于3DMAX與EONStudio的力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

摘 要： 力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真以及實(shí)驗(yàn)儀器三維模型及操控的真實(shí)再現(xiàn)，補(bǔ)充了現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與技術(shù)，使得實(shí)驗(yàn)力學(xué)問題可以進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理方法分析，大大提高了力學(xué)實(shí)驗(yàn)的高效性。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理，發(fā)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M算法進(jìn)行計(jì)算，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化為圖像或曲線顯示出來。虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)現(xiàn)，首先用3DMAX軟件建立實(shí)驗(yàn)儀器的三維仿真模型，然后將結(jié)果輸入到EON Studio軟件中進(jìn)行模型操控的邏輯關(guān)系編輯和腳本語言控制。虛擬儀器的操控方式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真統(tǒng)一設(shè)計(jì)，這樣參數(shù)計(jì)算時(shí)可以通暢高效的進(jìn)行。

關(guān)鍵詞： 虛擬實(shí)驗(yàn)； 基礎(chǔ)力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室； Ⅱ?型裂紋擴(kuò)展； 應(yīng)變

中圖分類號(hào)： TN911?34； TM417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）19?0153?04

Abstract： The mechanics virtual experiment realized the simulation of experiment results and true representation of experimental instrument′s 3D model and control， supplemented the practical experimental equipment and technology， so the mechanics experiment problem can be analyzed with pre?experiment and data processing method to improve the efficiency of the mechanics experiment greatly. According to the experiment principle of the simulation experiment， the corresponding experimental simulation algorithm was developed for calculation， and the experimental results were converted into image or curve for display. The 3DMAX software is used to establish the 3D simulation model of virtual experiment instrument. And then the results are input into EON Studio software for logical relationship editing and script language control of model control. The control method and experimental results simulation of virtual instrument are designed uniformly to ensure the high?efficient parameters calculation.

Keywords： virtual experiment； virtual laboratory of basic mechanics； Ⅱ?type crack propagation； strain

0 引 言

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)技術(shù)上必將形成多種技術(shù)相融合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的局面。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建上應(yīng)該研究如何使虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相近和等同的效果[1]。在設(shè)計(jì)與開發(fā)方面，體現(xiàn)在對(duì)實(shí)驗(yàn)元件、實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行模擬，處理好虛擬環(huán)境與用戶之間的交互，實(shí)現(xiàn)多用戶的并發(fā)協(xié)同操作等方面。使用某個(gè)單一技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在某些方面有優(yōu)勢(shì)，在另一方面必然存在不足。優(yōu)秀的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)將多個(gè)技術(shù)相融合開發(fā)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[2]。

設(shè)計(jì)的力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)將具備兩個(gè)突出的特點(diǎn)：

（1） 虛擬實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各種實(shí)驗(yàn)方法除實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真外，還實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)儀器的真實(shí)再現(xiàn)和操控，操作者在此系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，除了用鼠標(biāo)代替手進(jìn)行操作外，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)幾乎沒有區(qū)別；

（2） 力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)化，本文中的力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含了實(shí)驗(yàn)力學(xué)中電測(cè)、光測(cè)的基本方法的研究，操作及界面統(tǒng)一，是一個(gè)比較完整且成熟的實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究及教學(xué)的工具[3?4]。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)思路

1.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果模擬

虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果模擬是實(shí)驗(yàn)?zāi)M中最為重要的一部分，實(shí)際的力學(xué)實(shí)驗(yàn)中是通過實(shí)驗(yàn)圖像分析試件的位移場(chǎng)或應(yīng)力場(chǎng)，但虛擬實(shí)驗(yàn)需要得到和顯示實(shí)驗(yàn)圖像，考慮到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，以及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和參數(shù)的復(fù)雜隨機(jī)性，實(shí)驗(yàn)圖像要計(jì)算得到而不能用實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代替，那么如果將實(shí)際實(shí)驗(yàn)的順序倒過來，由試件的位移場(chǎng)或應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)圖像，將實(shí)驗(yàn)參數(shù)參與計(jì)算，考慮不同實(shí)驗(yàn)狀態(tài)到算法中，即可得到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果了[5]。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器模型及操控模擬

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)模擬和實(shí)時(shí)計(jì)算是虛擬實(shí)驗(yàn)的良好基礎(chǔ)，緊接著就要實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的真實(shí)性與人機(jī)交互性。實(shí)驗(yàn)儀器的三維模型制作主要用3D Studio Max軟件實(shí)現(xiàn)[6]。

3D Studio Max軟件可以制作復(fù)雜形狀物體的三維結(jié)構(gòu)圖，不僅可以完全按照實(shí)驗(yàn)中儀器的三維尺寸來制作，并且可以直接導(dǎo)入模型到EON Studio（制作實(shí)驗(yàn)可操作化的軟件），繼續(xù)編輯模型的操作。用VB軟件將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的人機(jī)交互結(jié)合起來，并加入人性化的系統(tǒng)界面，成為一個(gè)包含多個(gè)實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)[7]。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算程序翻譯成C語言，VB將其調(diào)用，將EON嵌套在VB里，與程序進(jìn)行輸入計(jì)算與輸出，并且增加相應(yīng)的操作按鈕如顯示圖像和保存圖像，對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行調(diào)用，另外，加入實(shí)驗(yàn)介紹窗口及返回等按鈕以及制作系統(tǒng)主界面，增強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的可讀性和豐富性[8]。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果模擬實(shí)例

以光彈性實(shí)驗(yàn)為例，首先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的模型類型，光彈性實(shí)驗(yàn)中典型的實(shí)驗(yàn)試件有對(duì)徑受壓圓盤，三點(diǎn)彎梁，再加入幾個(gè)形狀具有力學(xué)特性的試件如帶孔方板，變截面梁，圓環(huán)，著重研究邊緣區(qū)域的應(yīng)力分布。

模型的應(yīng)力場(chǎng)分為兩類：

（1） 存在解析解，直接計(jì)算得到應(yīng)力場(chǎng)；

（2） 無解析解，用數(shù)值方法模擬得到應(yīng)力場(chǎng)。

PDE Toolbox是Matlab中的偏微分方程工具箱，用其進(jìn)行簡(jiǎn)單圖形的有限元分析方法簡(jiǎn)潔，得到的力學(xué)分布與進(jìn)一步的模擬算法銜接便捷。

確定試件尺寸及材料參數(shù)后，進(jìn)行建模。設(shè)計(jì)試件施加載荷為1 N，這樣將試件的實(shí)際受力作為參數(shù)，可以得到彈性階段任意載荷下的應(yīng)力場(chǎng)。根據(jù)試件的受力狀態(tài)，設(shè)置邊界條件。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器模型及操控模擬實(shí)例

以單擺實(shí)驗(yàn)為例介紹儀器模擬及操控模擬。單擺實(shí)驗(yàn)的儀器三維模型主要用3DMax軟件制作完成。

單擺實(shí)驗(yàn)中首先制作一個(gè)簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)支座，可以簡(jiǎn)單的由一個(gè)立方體和兩個(gè)圓柱體構(gòu)成。然后可以由一個(gè)細(xì)圓柱和一個(gè)球體組成擺線和單擺小球。圓柱和小球的截面設(shè)置可以相應(yīng)的減小，這樣在之后的操控編輯中可以提高運(yùn)行的速度。

畫好基本圖形之后，將支座的三個(gè)物體合并為一個(gè)整體，將擺線和小球合并為一個(gè)整體，并且將這部分的中心移至繩的頂端，以便后面的操控編輯。

在3D建模的過程中，最好給各個(gè)部分命名有意義的名字，因?yàn)樵谀Ｐ洼斎氲紼ON中進(jìn)行編輯時(shí)，小構(gòu)件過多時(shí)便于快速準(zhǔn)確地找到欲編輯的具體組成部分。建模完成后，給模型附上材質(zhì)，并進(jìn)行渲染。

運(yùn)行程序，單擺實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的效果圖如圖3所示，點(diǎn)擊小球?qū)⑵渫蟿?dòng)到任意角度（擺角小于10°），松開鼠標(biāo)，小球開始進(jìn)行單擺運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)底座，小球停止單擺運(yùn)動(dòng)恢復(fù)初始位置。還可以再次開始實(shí)驗(yàn)。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用與仿真

3.1 應(yīng)變片電測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)

應(yīng)變片電測(cè)實(shí)驗(yàn)主要是通過試件上金屬絲被拉伸或壓縮后的阻值改變來求解試件的形變，因此這是一個(gè)通過電阻求電壓進(jìn)而求應(yīng)變的過程。應(yīng)變片電測(cè)實(shí)驗(yàn)中連接應(yīng)變儀的方式不同，會(huì)得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，程序模擬要對(duì)每一種接橋方式全面考慮，完整地模擬實(shí)驗(yàn)過程。

（1） 由試件的應(yīng)變場(chǎng)計(jì)算得到電阻的改變量，這里對(duì)于不同的電橋接法有不同的考慮和運(yùn)算；

（2） 由電阻值計(jì)算電壓值，將電壓值曲線顯示出來。

應(yīng)變片電測(cè)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變片的貼片和應(yīng)變片連接應(yīng)變儀是比較重要的兩個(gè)步驟，在貼片時(shí)，貼片的數(shù)量和大小不定，貼片的位置和角度需要記錄參與運(yùn)算，應(yīng)變片的電阻及改變量需要記錄計(jì)算；在連接應(yīng)變儀時(shí)，選擇何種橋路需要分情況計(jì)算，是否連接了溫度補(bǔ)償片需要單獨(dú)計(jì)算，因此，此處需要著重考慮實(shí)驗(yàn)參數(shù)的輸入及參與運(yùn)算方式的設(shè)計(jì)。

貼片數(shù)量是不確定的，但惠更斯電橋具有四個(gè)橋路是確定的，那么將四個(gè)橋路的連接狀況與所連接的應(yīng)變片參數(shù)作為固定的[4x]矩陣進(jìn)行參數(shù)輸入及運(yùn)算，程序運(yùn)行一次只運(yùn)算一個(gè)應(yīng)變儀通道，即一個(gè)電橋四個(gè)橋路，所有應(yīng)變片的信息就可以全部有序的參與運(yùn)算了。

應(yīng)變片電測(cè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是電壓?載荷曲線圖，用程序模擬出理論值是平滑的直線，如圖4所示，選用低碳鋼材料的拉伸試件（試件的長(zhǎng)為50 mm，高為10 mm，厚為5 mm，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3），選用一個(gè)大小為10 mm 5 mm的應(yīng)變片以90°的貼片角度粘貼在試件上，接入應(yīng)變儀的第一通道的“ab”口，選用一個(gè)同種材料的試件貼上一個(gè)大小為20 mm 10 mm的應(yīng)變片作為溫度補(bǔ)償片，接入應(yīng)變儀的第一通道的“bc”口，加載1～100 N的力，實(shí)際的應(yīng)變片電測(cè)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受很多外界因素的影響，不可避免地會(huì)有誤差，因此，虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果模擬為了更加真實(shí)地仿真真實(shí)的實(shí)驗(yàn)狀況，給實(shí)驗(yàn)結(jié)果加入了噪聲，如圖5所示。

3.2 光彈性虛擬實(shí)驗(yàn)

光彈性方法是光測(cè)實(shí)驗(yàn)力學(xué)中的一種經(jīng)典測(cè)量方法，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過特殊的光路設(shè)計(jì)，使偏振光通過由光彈性材料制成的受力模型后發(fā)生干涉，產(chǎn)生干涉條紋——等差線和等傾線，可以直觀地顯示模型中的應(yīng)力場(chǎng)。光彈性方法一直是力學(xué)專業(yè)或機(jī)械類專業(yè)實(shí)驗(yàn)力學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容。

利用虛擬光彈實(shí)驗(yàn)?zāi)K，操作者可以與在真實(shí)儀器上一樣的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等若干特殊的操作。

正式進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)先安裝試件，在實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)上用鼠標(biāo)點(diǎn)擊選擇試件及相應(yīng)的夾具，通過鼠標(biāo)拖動(dòng)試件和夾具將其置于光彈儀的加載裝置中。系統(tǒng)還支持自制試件，操作者可根據(jù)自己的意愿設(shè)計(jì)任意形狀試件及加載方式，并將其導(dǎo)入系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。安裝完試件后進(jìn)行加載：點(diǎn)擊并旋轉(zhuǎn)加載手輪對(duì)試件進(jìn)行加載，通過力傳感器可讀取載荷數(shù)值，以此控制載荷的大小。在對(duì)光彈儀的操作中，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示檢偏鏡后面出現(xiàn)的干涉光場(chǎng)結(jié)果。操作者在獲得一個(gè)滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，還可通過“保存”按鈕保存等傾線和等差線的條紋圖像，然后通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序分析試件的應(yīng)力場(chǎng)。虛擬光彈性實(shí)驗(yàn)的操作如圖7所示。

由虛擬光彈性實(shí)驗(yàn)的例子可以看出，力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)完全依據(jù)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)，在最大程度上保持了實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和完整性，實(shí)驗(yàn)操作者能從中最大程度地體會(huì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的感覺。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的其他模塊與上述光彈性實(shí)驗(yàn)一樣，也完全按同一原則設(shè)計(jì)，有同樣的效果。

4 結(jié) 論

虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)分為實(shí)驗(yàn)結(jié)果模擬和實(shí)驗(yàn)儀器模型及操控模擬兩部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的模擬方法，首先從受力模型中獲取力學(xué)量分布，通過解析解或數(shù)值解得到其應(yīng)力或位移解；然后根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理，將上述力學(xué)量分布轉(zhuǎn)化為條紋圖或曲線圖等結(jié)果圖像。實(shí)驗(yàn)儀器模型及操控的模擬，首先用3D Studio Max軟件制作實(shí)驗(yàn)儀器三維模型，然后用EON對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器模型進(jìn)行可操作化的邏輯編輯，實(shí)現(xiàn)交互的實(shí)驗(yàn)操作，不受操作先后順序的限制，仿真真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作方法。根據(jù)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器建立基礎(chǔ)力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)結(jié)果到實(shí)驗(yàn)操控的仿真模擬，是實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究分析和實(shí)驗(yàn)力學(xué)教學(xué)的重要輔助。

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