实验力学三维虚拟实验教学系统简介

实验力学是理论、计算和实验的力学研究的三大支柱之一。它是应用实验的基本理论，结合力学的理论通过数学工具的推演，以实验为手段去研究结构物中的位移、应变和应力等力学量的一门实验科学。实验力学的主要分支包括电测力学和光测力学。电测力学简称电测法，又称为应变电测技术，作为实验力学的一个重要分支，是应用极为普遍的基本测试技术。经典的光测弹性力学和现代光测力学以及光学干涉条纹地测量，它们共同的特点是光学干涉条纹的处理技术在力学方面的研究和应用。

本虚拟仿真实验室软件可满足以下主要功能：

本系统在网上开展虚拟实验课程，课程模拟真实实验中用到的器材和设备，提供与真实实验相似的实验环境；B/S结构，支持网页界面操作方式，软件首页支持学生、课程教师、教务管理员、系统管理员使用不同的身份登录软件；不同的身份具有不同的操作权限；提供系统管理功能，包括用户、分组、角色、权限、日志管理等；支持完整的教学过程管理功能，包括开课管理、实验的开课管理、典型实验库的维护、实验教学安排、实验结果的批改、实验成绩统计查询等功能；同时可以和虚拟仿真实验教学管理平台无缝集成；           

为保证软件的交互性和扩展性，本软件采用国际领先的Unity3D引擎开发而成，且插件在近1年内有更新版本，并可支持后续的优化升级。软件交互性良好，用户在场景中，通过鼠标、键盘的交互，实现在场景中走动，通过视角旋转、拉近观察场景元素中的细节，支持用户从任意视角、任意距离观察实验台。

提供实验器材栏，器材栏在实验过程中，用户可以随时选择收起和展开，同时也可以将器材栏拖动到任意位置；软件提供视图选择功能，便于用户快速切换到对应视角进行操作或观察实验现象；软件采用虚拟现实实时渲染处理，画面精美，同时提供操作帮助，言简意赅描述实验如何开展。

该软件支持典型实验个数8个；

1)    平面偏振光场虚拟实验

2)    圆偏振光场虚拟实验

3)    工字梁弯曲虚拟实验

4)    高速摄像机碰撞虚拟实验

5)    电阻应变计粘贴作业流程虚拟实验

6)    压痕法测量材料力学性能实验 

7)    万能试验机操作规程虚拟实验

8)    应变片在电桥中接线实验

（1）平面偏振光场虚拟实验

本虚拟实验模拟了平面偏振光场实验的完整实验流程，通过加载砝码，观察条纹干涉现象。

图1 实验场景

图2 旋转检偏镜，观察十字等倾线

图3 加载砝码，观察实验现象

（2）圆偏振光场虚拟实验

本虚拟实验模拟了圆偏振光场的完整实验流程，实验中通过放入玻片，增加砝码来达到了解产生和检验偏振光的原理和方法的目的。

图4 放入1/4波片

图5 加载砝码，观察实验现象

（3）工字梁弯曲虚拟实验

本虚拟实验模拟了工字梁弯曲实验的完整实验流程，实验中提供对称工字梁和非对称工字梁测量，通过转动手柄加载，读取应变仪读数，分析实验数据。

图6 实验场景

图7 转动手柄

图8 记录实验数据

（4）高速摄像机碰撞虚拟实验

本虚拟实验模拟了高速摄像机碰撞实验的完整实验流程，模拟真实的实验环境及实验设备，通过调整高速摄像机及软件操作，得出不同参数下的实验现象。

图9 实验场景

图10 实验现象

图11 实验曲线

图12 实验仪器

（5）电阻应变计粘贴作业流程虚拟实验

本虚拟实验模拟了电阻应变计粘贴作业的完整实验流程，包括：应变计选择、胶黏剂选择、打磨、表面清洗、画定位线、应变计清洗、应变计粘贴、固化和贴片质量检查。实验中伴有智能指导可以指导学生进行实验操作。

图13 应变计选择

图14 智能指导 

图15 试件打磨

（6）压痕法测量材料力学性能虚拟实验

该虚拟实验模拟了压痕实验完整的实验流程，通过添加垫块，维氏压头靠近被测试件，进行AIS3000软件检测，得到实验数据和对应实验曲线。

图16 压痕实验场景

图17 压痕实验曲线

（7）万能实验机操作规程虚拟实验

本虚拟实验实验中以三维动画的形式介绍电子万能实验机的结构组成及关键零部件认知；实验中详细介绍了电子万能实验机操作规程，包括：开机检测过程、预热过程、夹持试验、安装其他辅助设备等过程；实验中以文字面板、操作提示形式对实验过程中的注意事项进行详细说明。

图18 关键零部件认知

图19 开机检测过程

图20 夹持试样

（8）应变片在电桥中接线实验

该虚拟实验模拟了应变片在电桥中接线实验完整的实验流程，通过改变桥路连接，记录实验数据来掌握电桥的加减特性和应变仪的各种接桥方法；了解应变传感器的基本原理；熟悉应变仪的使用方法。

图21 选择桥路进行连接

图22  1/4桥记录实验数据

图23 重新接线第六种方式

图24 记录本加载记录实验数据

系统服务器端用户分为学生、教师、教务管理员和系统管理员四种角色，不同角色拥有不同权限。

    学生：选课、选择实验、开展实验、接受实验指导、在线提交实验报告、保存和提交实验结果、查询实验成绩和批语。

    教师：典型实验库维护、发布实验、安排实验、批改实验报告、系统指导、统计并发布学生的实验成绩和批语。 

    教务管理员：课程计划、开课计划、选课日期设置、开课审核、开课查询。 

    系统管理员：用户管理、分组管理、角色管理、权限管理、系统维护等。

性能指标

支持同时在线用户数1万人以上，经测试，系统运行稳定，不限终端用户数，完全能满足日常教学使用。

服务器运行环境

操作系统：Windows Server ，Linux/Unix Server

Web服务器：Tomcat6.0，JDK6.0

数据库：MySQL

客户端运行环境

操作系统： All Windows系列

相关信息：

研制单位：北京润尼尔网络科技有限公司

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