工程力学实验虚拟仿真平台的建设研究.pdf

西南交通大学学报（社会科学版）2023 年 2 月 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY Feb.2023 第 24 卷 （Social Sciences)Vol.24 增刊第 2 期 实验教学 工程力学实验虚拟仿真平台的建设研究 王元勋，魏俊红，胡 鹏，杨 辉（华中科技大学航空航天学院）摘 要：虚拟仿真实验作为利用计算机教学的一种基本模式，具有广泛的应用前景。课堂上通过虚拟仿真实验，得到构件在受力后的应力分布规律及动态变形过程，辅助教学，有利于加深学生对书本知识的理解。本文介绍工程力学课程教学中拉压、扭转、弯曲基本实验的动态模拟仿真实验的建设与实践，用生动、形象的三维图文动画向学生阐明工程力学的基本知识和相关实验过程，便于辅助教师教学和学生远程实验预习及实验分析处理，调动学生的学习积极性。关键词：工程力学；基础实验；虚拟仿真实验；建设 一、建设背景 近年来，计算机模拟和仿真已应用于高校很多专业课的教学，在快捷性、生动性与互动性方面都展现出了传统教学方法无可比拟的优势。在课堂教学中运用模拟和仿真实验教学，不仅可以激发学生的学习兴趣，调动学习的积极性，而且还可以加深学生对课程知识的理解和对真实实验的兴趣1-2。工程力学是工科专业工程技术基础课，同时又是理论研究和试验分析、理论知识与工程实际紧密结合的一门课程。工程力学课程不仅处在工程类各专业学生的知识结构的关键部位，而且是从抽象思维向形象思维方式的过渡。掌握工程力学的研究方法和分析手段，对于学生学习专业知识和解决工程实际问题的能力和水平都有重大的影响。工程力学课程中的基础实验是工程力学教学中必不可少的重要环节是巩固学生理论知识、培养学生创新能力和解决实际问题的重要手段。工程力学是面向全校工科学生的一门基础技术课程，学生班级和人数众多。工程力学实验教学，在时间、空间和实验条件等方面受到很大限制，缺乏一定的灵活性，影响工程力学课程教学质量。随着模拟仿真技术的发展，工程力学虚拟仿真实验能够很好的改善传统实验教学的不足，其与传统的真实实验有机地结合，通过营造一个逼真的三维虚拟实验环境，并提供视觉、听觉、触觉等各种感官的反馈信息，能够有效地培养学生的创新能力与动手操作能力。同时，它能使学生与虚拟环境中的虚拟对象进行直接自然地交互，以多种方式参与事件的发展变化过程，从而获得最大的控制和对知识的探索。150 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 二、建设虚拟仿真实验对促进教学工作、提高教学质量的作用和意义 计算机仿真和模拟实验教学赋予了传统教育新的内涵，作为新生事物已经显示出它强大的生命力。仿真和模拟很好地解决传统教学的弊端，有效地提高教学质量，同时改变了传统的教育模式，并能够获得显著提高的教学效果3-4。这些都体现了虚拟仿真实验的优势。1）模拟和仿真实验辅助教学，可以节省时间、仪器，不受空间限制，弥补了因实验设备及经费不足的缺憾。它不仅通用性强，便于维护和升级换代，还消除了实验条件的限制及实验对环境的影响，在实验过程中几乎没有损耗。作为“开放的实验室”，它打破了时间和空间的局限，学生可以在课外继续实验，亦可以通过网络学习5。2）模拟和仿真辅助实验教学拓展了观察的广度和深度，仿真技术在教学中的应用不仅把实验仪器全展示给学生，进行剖析调整，而且能够在实验过程中实时观察实验的各种指标，增强学生对实验的熟悉程度，可以更好地理解实验。打破以教师为中心的教学模式，鼓励学生改进实验方法和装置，进而自己设计实验，利于启发学生的求知欲望和探索精神。3）仿真实验还有个非常重要的优势就是使学生在无毒、无害、无污染的绿色环境中进行学习。特别是一些危险性、综合性的大型工程实验，通过完全模拟各种实验用具、实验环境，让每一个实验者都有身临其境的感觉，使抽象理论知识变得形象生动。随着网络和计算机技术的飞速发展，模拟和仿真辅助实验教学是相关教学必不可少的组成部分，将日益广泛应用于各科课程教学中，并出现更加先进的形式，在教学中发挥更重要的作用。对教学来讲，不管是理论教学还是实验教学，都应更好地利用计算机模拟仿真技术提升教育质量，改善教学环境6。当然，虚拟仿真实验对实验结果不能做到完全精确地设计，仿真实验教学应定位于实验教学方法的一种补充，将工程力学真实实验与仿真实验相结合，才能收到最佳的教学效果。三、主要措施与实施情况（一）系统模式 基于网络的虚拟实验的相关技术已经发展得比较成熟，但是由于工程力学实验涉及诸多力学理论，造成开发工程力学仿真虚拟实验系统难度增加。本研究针对工程力学实验特点，提出了建立基于有限元法的虚拟实验系统，可通过该系统进行实验学习及实验仿真。首先通过国内外虚拟实验发展历史与现状研究，对建立虚拟实验系统常用的方式方法进行对比分析，提出利用有限元分析和计算机网络相结合的方式建立虚拟实验系统。经过分析传统实验教学模式的不足，提出虚拟实验系统目标，设计功能模块。确定虚拟实验系统的基本架构和关键技术实现 B/S 模式（浏览器/服务器）和 ABAQUS 进行有限元分析，实现并构建虚拟实验系统，如图 1 所示。对数据层及用户交互层进行交互界面的设计与实现。利用大型有限元软件 ABAQUS 开发运行于虚拟实验系统服务器端的虚拟仿真实验，通过信息服务器与客户端进行交互，实现了在客户端无需安装 ABAQUS 软件只要通过浏览器即可进行虚拟实验仿真的功能。以拉伸实验为例，利用细观损伤理论 GTN 模型进行有限元仿真。通过光滑和缺口试件的准静态拉伸实验，利用有限元逆推法标定了材料参数和损伤参数。构建不同速度下拉伸实验数值模型的脚本文件，开发运行于服务器端的不同速度下拉伸实验和缺口试件的数值模型。通过对拉伸实验虚拟仿真的实例实现，证明该方法的可行性和实用性。增刊第 2 期 151 王元勋 工程力学实验虚拟仿真平台的建设研究 图 1.B/S 模式结构框图（二）系统框架结构设计 该虚拟实验系统的总体结构如图 2 所示，整个实验系统主要基于 B/S 模式的三层体系结构。三层结构主要包括：用户界面层（UI）、业务逻辑层、执行层和数据层。其中，UI 层是通过客户端浏览器用户进行交互输入参数进行请求，并可以将服务器端的数据传送到客户端。业务逻辑层由 Web 表单组成，是接收来自客户端的请求并将该请求发送到服务器端的数据层，也可将服务器端的请求响应返回到客户端；数据层主要操作存储数据，服务器端发送存储或者检索数据任务，数据层会将相应结果通过业务逻辑层传送到 UI 层。图 2 系统框架结构设计（三）虚拟实验系统功能模块设计 虚拟实验系统按照功能模块来划分主要包括以下几个模块：管理模块、基础知识学习模块、虚拟仿真实验模块，如图 3 所示。基础知识学习模块主要针对理论知识、实验操作规范、注意事项等进行介绍。以动画和文本方式展示在浏览器端，使用户学习能够更加生动有趣。虚拟仿真实验交互模块包括：常规实验仿真和拓展实验仿真。常规实验仿真主要针对国家规定实验的仿真，用户可以进行不同的仿真实验，并将得到的结果进行下载。在浏览器端界面上，用户可以在给定范围内随意设定参数，然后提交进行计算，服务器端接收参数后会启动大型有限元软件 ABAQUS 进行计算，然后将结果返回到浏览器端以供用户查看。管理模块主要是针对用户信息、实验知识信息、虚拟仿真实验信息等的管理。管理员登录系统后，可以定期对数据库信息进行清理，对实验室理论知识等进行更新，使用户及客户端Web服务器数据库服务器信息请求信息返回数据请求数据返回局域网连接广域网连接152 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 时学习新知识。图 3 虚拟实验系统功能模块设计 四、系统客户端功能的实现（一）用户登录认证功能的实现 本系统的用户登陆界面设计如下所图 4 所示，其中在此处功能实现的重点是如何实现个人信息的提交与验证。通过“登录”的 Button 控件验证用户信息，通过 MySQLconn 类与服务器端数据库层进行数据交互，并使用 Select 方法检索数据库；之后将用户信息通过 Session 存储在页面会话中。图 4 用户登录界面设计（二）系统管理端功能的实现 管理员通过系统逻辑层登录成功后，对仿真实验、用户信息、实验信息和管理员信息等进行管理。如图 5 所示，管理员登录后的操作界面会显示登陆的用户名和用户编号。其知识资源功能实现是基工程力学虚拟实验系统基础知识学习模块虚拟仿真实验模块管理模块用户注册登录知识资源管理实验资源管理实验设备介绍虚拟仿真实验实验指导常用材料介绍实验室安全准则实验仿真原理常规实验拓展实验增刊第 2 期 153 王元勋 工程力学实验虚拟仿真平台的建设研究 于系统表示层，即是采用浏览器界面的方式与用户交互，主要负责处理用户请求，显示、输出用户请求的信息数据。通过该界面，用户可以进行知识浏览、实验安排选择、测试、提交实验报告等功能。同时保证用户信息安全性，确保用户在其权限内查看资源。图 5 管理员系统首页 五、结论 基于有限元法，本研究初步建立了远程虚拟实验系统，把复杂的力学理论运用到虚拟实验系统中。（1）该虚拟实验系统利用有限元分析结合网络的方式，解决了力学现象涉及诸多理论在虚拟实验系统建立过程中不易实现的缺点。但是开发的系统研究实验较少，有待今后对其他教学实验进行补充与完善。（2）提出的虚拟实验系统主要针对理论知识模块和实验主体进行了详细研究，今后的研究可以结合 VR 虚拟三维实验室环境，以此逼真地模拟实验场所，提高用户体验。（3）该虚拟实验系统另一个拓展领域是，对课本中涉及到的工程力学理论等进行有限元验证，以此使学生学习更加直观有趣。参考文献：1 Yaron D,Karabinos M,Lange D,et al.The ChemCollective-Virtual Labs for Introductory Chemistry Courses.Science.2010,328(5978):584-585.2 LLUIS GIL,ELENA BLANCO,JOSEP MARIAAULI.The virtual laboratory concept applied to strain measurements.European Journal of Engineering Education,2000,25(3):243251.3 Sergey B.Tkachev,Denis Aldoshin,Alexey E.Golubev.Virtual Laboratory on Nonlinear Control.IFAC Proceedings Volumes,2012,45(11):166-171.4 Yuxin Liang,G.P.Liu.Design of Remote 3D Virtual Laboratory for Education On Control System Experimentation.IFAC Symposium Advances in Control Education,2013,28(30):327-332.5 Bilgehan Erdema,Alper Kiraz,Hseyin Eski.A conceptual framework for cloud-based integration of Virtuallaboratories as a multi-agent system approach.Computers&Industrial Engineering,2016,102:452-457.6 A.Ballua,X.Yana,A.Blanchardb.Virtual metrology laboratory for e-learning.in:14th CIRP Conference on Computer Aided Tolerancing.2016.148-153.