转动惯量虚拟仿真实验设计.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 转动惯量虚拟仿真实验设计 刘五祥，吴 昊，赵红晓，茹东恒（同济大学力学实验中心，上海 200092）摘 要：本论文结合我校实验教学的实际情况，同时借助于转动惯量理论知识，自主设计并开发了转动惯量虚拟实验系统。转动惯量虚拟仿真实验系统是一个基于浏览器进行开发，采用 HTML、Javascript以及 CSS3等语言，通过 Three.js技术开发而来的一款网站系统，通过网页接入服务器方式，在客户端网页进行虚拟的转动惯量虚拟仿真实验，从而替代或补充在现实世界进行的真实转动惯量实验教学活动。关键词：虚拟仿真实验；WebGL；转动惯量 基金项目：同济大学第 16期实验教改项目 一、引言 目前已有的虚拟仿真实验软件一般都是安装在客户端电脑上，不支持移动设备，使用起来也不是很方便。如今 3D 技术和移动设备的快速发展，人们的生活、学习方式也发生了很大的变化。3D 场景不仅能够给学生带来真实的实验体验，而且日益普及的手机、平板等移动设备也能让学生随时随地进行实验训练。因此，如何基于 WebGL 前端技术开发具有高仿真度且同时支持电脑和移动设备的虚拟实验训练平台就成为了当今国内各大院校开展研究和开发建设的热点。同济大学力学实验中心一直致力于实验技术创新，在具有成本低、材料零消耗、可重复性好、可扩展性强、共享性好且不受地域场地限制的理论力学虚拟仿真实验建设方面进行了积极探索。基于先进的 Web 前端技术开发了理论力学刚体转动惯量虚拟实验训练软件，不仅提高了虚拟实验的仿真度，而且支持移动设备，为全面进入 3D 仿真实验时代奠定了基础。二、开发技术及软件原理 本虚拟仿真软件基于浏览器进行开发，使用的语言是 HTML、Javascript 以及 CSS3，3D 引擎采用了功能强大的 Three.js（支持最新的 HTML5、WebGL）。HTML5 是对 HTML 的第 5 次重大升级，增90 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 加了许多新对象和新功能，能更好地支持电脑和移动设备，可以直接播放音频、视频和绘制图形。HTML5 增加的画布（Canvas）对象，可以直接在浏览器中绘制矢量图形，编写成令人炫目的 3D 图形，而不用 Flash 和 Silverlight 等第三方插件。WebGL 全称 Web Graphics Library，是一种 3D 绘图协议，将 JavaScript 和 OpenGL ES 2.0 结合在一起，为 HTML5 画布（Canvas）对象提供硬件 3D 加速渲染，这样就可以在浏览器里直接展示 3D 场景和模型了。HTML5 为 WebGL 提供了舞台，WebGL才有了用武之地，WebGL 的出现也直接终结了统治浏览器二十多年的 Flash 的命运。Three.js 是由谷歌公司主导开发的一个 WebGL 开源库，是用 JavaScript 编写的，提供了很多 3D 功能接口，可以创建各种三维场景，利用相机、灯光、材质展示出逼真的视觉效果。软件支持 Chrome、IE、Edge、FireFox、Opera、Safari 等主流浏览器。本虚拟仿真软件以实验仪器为主角，实验步骤为主线，在实验步骤中操控实验仪器，并辅以实验动画，测量出实验数据，生成最终的实验结果。三、三维模型 使用 3DMAX 建模，导出为 FBX 文件，再用 Three.js 的 FBXLoader 导入模型。模型中需要特别命名的物体：有交互动作的物体，如毫秒仪；有动画的物体，如塔轮，有旋转动画。1测量仪 测量仪用来测量试件的转动惯量，在软件中主要以动画的形式展示实验过程。塔轮、悬挂砝码、绳子都要记录初始状态，每个步骤完成后，要回到初始状态；比如悬挂砝码，初始状态为悬挂在绳子上，步骤结束后为掉落在地上，实验过程中，循环着下面的动作:悬挂-掉落地面-悬挂-掉落地面-2毫秒仪 毫秒仪用来记录各角位移对应的时间，在软件中以交互动作和动画的形式展示实验过程。交互动作:“复位“按钮：点击后，毫秒仪读数归零；“阅读+“按钮：点击后，下翻 1 条时间记录；“阅读-“按钮：点击后，上翻 1 条时间记录；增刊第 2 期 91 刘五祥 转动惯量虚拟仿真实验设计 3试件 试件包括 2 种：圆环试件，圆柱试件；在软件中以旋转动画的形式展示实验过程；圆环试件有 1 个位置，圆柱试件有 3 个位置。四、实验步骤和数据 步骤是软件的主线，分 4 大部分：1）测量空盘转动惯量；2）测量圆环转动惯量；3）验证平行轴定理；4）验证转动惯量与外力矩无关。每个实验步骤都包括：切换镜头，动态提示，交互动作，步骤动画。实验数据通过表格来显示，共计 12 张表格。表格分为原始数据表和实验数据处理表：原始数据表：记录了实验中测量出的数据；实验数据处理表：根据原始数据计算而来。92 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 序号 表格名称 1 测量空盘转动惯量-原始数据 2 测量空盘转动惯量-实验数据处理 3 测量圆环转动惯量-原始数据 4 测量圆环转动惯量-实验数据处理 5 验证平行轴定理 d1=40-原始数据 6 验证平行轴定理 d1=40-实验数据处理 7 验证平行轴定理 d2=80-原始数据 8 验证平行轴定理 d2=80-实验数据处理 9 验证平行轴定理 d3=120-原始数据 10 验证平行轴定理 d3=120-实验数据处理 11 验证转动惯量与外力矩无关-原始数据 12 验证转动惯量与外力矩无关-实验数据处理 由于篇幅的限制，本文只给出空盘转动惯量的原始数据和实验数据处理表格。增刊第 2 期 93 刘五祥 转动惯量虚拟仿真实验设计 五、结语 基于 HTML5、WebGL、Three.js 等新的 Web 前端技术，同济大学力学实验中心转动虚拟实验软件进行了开发研究，所研制的虚拟实验训练平台将为正在学习的各高校学生和接受继续教育的社会学生提供真实、方便的实验训练环境，同时也为高校优质教学资源的共享奠定了一定的基础。参考文献：1 李淑娴,马宗民.虚拟仿真实验项目建设与理论力学实验教学改革思考J.产业与科技论坛,2018,17(10):144-145.2 刘艳,郭恒宁,徐明等.基于虚拟仿真等方法的土力学实验教学改革J.实验室科学,2017,20(3):,105-107.3 胡超 程建钢.理论力学多媒体仿真教学实验J.力学与实践,2003,25(1):67-70.4 胡超 程建钢 韩锡斌.材料力学多媒体仿真教学实验系统J.力学与实践,2002,24(6):68-71.5 黄向红 曾喆昭.实验室改革与虚拟实验室探讨J.实验室研究与探索,2000,19(6):70-72,75.