基于Labview的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)研究,基于,labview,材料力學(xué),實(shí)驗(yàn),試驗(yàn),模擬,摹擬,系統(tǒng),研究,鉆研 本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開題報(bào)告 論 文 題 目：基于 labVIEW 的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)研究學(xué) 院： 專 業(yè) 、 班 級： 學(xué) 生 姓 名： 指導(dǎo)教師（職稱）： 一、選題依據(jù) 1. 論文（設(shè)計(jì)）題目 基于 labVIEW 的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)研究 2. 研究領(lǐng)域 運(yùn)用 labVIEW 虛擬儀器來實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬、數(shù)據(jù)存儲和分析。運(yùn)用到材料力學(xué)知識和一定的測試技術(shù)，信號分析的相關(guān)知識以及關(guān)于labVIEW 的編程知識。3．論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價值 材料力學(xué)是研究材料在各種外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力、強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性以及導(dǎo)致各種材料破壞的極限。一般是機(jī)械工程和土木工程以及相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生必須修讀的課程，是一門傳統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)課程。為學(xué)好這門課程，就必須培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，因此材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)必不可少。 但是，目前仍有一些問題橫亙在力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面前，亟待解決。其中最主要的發(fā) 展阻礙是隨著高等院校不斷擴(kuò)招，學(xué)生數(shù)量大量增加所導(dǎo)致的能夠指導(dǎo)材力實(shí)驗(yàn)的老師和硬件設(shè)施的缺乏，實(shí)驗(yàn)設(shè)備引入耗資巨大，每次實(shí)驗(yàn)的材料損耗很大，因此無法滿足教學(xué)的需求[1]。 為解決這一問題，國內(nèi)外諸多院校開始引入虛擬儀器來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)[2]。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，即 CIA 是近幾十年來新興并迅速發(fā)展起來的一種綜合性質(zhì)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)[3]。CIA 具有以下優(yōu)點(diǎn)：它可以為學(xué)生提供一個個人化的良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。并且綜合應(yīng)用超文本、知識庫和人工智能以及多媒體等計(jì)算機(jī)技術(shù)，避免了傳統(tǒng)教學(xué)方法所導(dǎo)致的單一、枯燥、片面的缺點(diǎn)，使課程更加靈活生動。它的使用能有效地縮短學(xué)習(xí)時間、提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的教學(xué)目標(biāo)。 通過 CIA 技術(shù)構(gòu)建一個極為真實(shí)的實(shí)驗(yàn)仿真平臺讓學(xué)習(xí)者在逼真的模擬情境中， 利用圖文并茂的實(shí)驗(yàn)預(yù)備知識，極為豐富的實(shí)驗(yàn)相關(guān)資料，操作十分靈活的實(shí)驗(yàn)交互過程，以及及時方便的實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)，使實(shí)驗(yàn)者在計(jì)算機(jī)上快速準(zhǔn)確地完成相關(guān)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程。在不限時間、不限地點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，這極大地發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性。通過網(wǎng)上的數(shù)據(jù)庫等平臺獲取大量實(shí)驗(yàn)知識，也便于學(xué)生的理解操作，提高了學(xué)習(xí)效率[4]。 4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢 在這個技術(shù)發(fā)展日新月異的年代，利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)進(jìn)行傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造已是大勢所趨。虛擬儀器技術(shù)正是計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與傳統(tǒng)儀器技術(shù)融合的產(chǎn)物。虛擬儀器中 labVIEW 是最具代表性的圖形化編程開發(fā)平臺[5]。labVIEW 是 NI 公司推出的具有革命性的圖形化虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺，它內(nèi)置了信號的采集、測量、分析與顯示數(shù)據(jù)的功能，一些軟件開發(fā)工具的傳統(tǒng)的復(fù)雜操作被摒棄了，在提供強(qiáng)大測控功能的同時，還保持系統(tǒng)的靈活性，讓使用者可以無縫地集成一套完整的應(yīng)用方案。labVIEW 軟件為使用者提供了所需的工具來專注于需要解決的問題，同時提供了新的功能來簡化開發(fā)。使用通道連線這一個數(shù)據(jù)通信的新功能，只需通過一條連線即可在 循環(huán)之間傳輸數(shù)據(jù)，無需使用隊(duì)列。最新的 labVIEW 增加了對五種附加工具的支持， 在開發(fā)和調(diào)試應(yīng)用時利用操作系統(tǒng)的所有內(nèi)存。與 Linux 和 Eclipse 等開源平臺更高的集成度，可以針對不同的任務(wù)使用正確的工具。 虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。它可以取代測量技術(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性與經(jīng)濟(jì)性，因而特別適應(yīng)于當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不斷深化所提出的更高更新的測量課題和測量需求?！皼]有測量就沒有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)”。虛擬儀器將會在科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 李偉，陳孟詩等人研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)針對本科生材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，將矩形截面鋼梁、疊合梁的彎曲變形，材料的拉伸變形，薄壁圓筒扭轉(zhuǎn)變形，彎扭組合變形，壓桿穩(wěn)定，邊界條件對壓桿影響等多種實(shí)驗(yàn)裝置合為一體，實(shí)驗(yàn)臺采用組合式杠桿系統(tǒng)傳遞載荷, 對各分項(xiàng)裝置分別使用螺旋手動加載[6]。各裝置間無需轉(zhuǎn)換相對獨(dú)立, 通過更換不同的試件, 擴(kuò)展其實(shí)驗(yàn)功能, 操作使用方便。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中載荷、位移和應(yīng)變的信號經(jīng)多通道測試系統(tǒng), 采集放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換, 由計(jì)算機(jī)處理顯示。由材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺上的載荷傳感器和應(yīng)變片獲取數(shù)據(jù)經(jīng)由多通道測量儀傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)由 RS232 通信傳輸?shù)?PC 機(jī)端軟件中。具有實(shí)驗(yàn)設(shè)備小巧，操作方便，極大地簡化了十分繁瑣的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作和實(shí)驗(yàn)過程中試件的安裝工作。 付昌云，孫僮等人研究的材料實(shí)驗(yàn)機(jī)不僅滿足了社會主流的實(shí)驗(yàn)機(jī)以拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)為主并且可以進(jìn)行拉力，扭轉(zhuǎn)，沖擊實(shí)驗(yàn)的需求[7]。并且解決了隨著新材料不斷運(yùn)用到工程實(shí)際中，主要完成的是低碳鋼和鑄鐵的軸向拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)機(jī)已無法滿足工程需求的問題?？梢苑謩e對彎曲部件和彎扭組合部件的材料及尺寸進(jìn)行確定，并確定極限載荷。利用 UG 對實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行改在主要設(shè)計(jì)了鋼板的拉伸、彎曲、彎扭試件，并進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，獲得了試件的極限載荷。在配備了相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變儀后， 可以獲得彈性模量 E 和泊松比m、進(jìn)行彎曲應(yīng)力公式、獲取彎扭部件的應(yīng)力。使實(shí)驗(yàn)臺可以完成材料彈性模量 E 和泊松比m的測量、橫力彎曲和純彎曲下應(yīng)變的測量，彎扭組合變形下的應(yīng)變的測量功能。 二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容 1. 重點(diǎn)解決的問題 用 labVIEW 對材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行模擬仿真設(shè)計(jì). 2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路） （1） 軟件模塊 軟件模塊主要是labVIEW 組成的。labVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境，類似于C 和BASIC 開發(fā)環(huán)境，但 labVIEW 與其它計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其它計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼行，而 labVIEW 使用圖形化編程語言 G 語言編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。像 C 或 BASIC 一樣，labVIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個可完成任何編程任務(wù)的龐大的函數(shù)庫。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M中用到的軟件模塊包括五部分：實(shí)驗(yàn)?zāi)M模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實(shí)驗(yàn)報(bào)告打印模塊、有限元仿真模塊、視頻嵌入模塊[8]。 1) 實(shí)驗(yàn)?zāi)M模塊 實(shí)驗(yàn)?zāi)M模塊是實(shí)驗(yàn)中最重要的部分，是一個虛擬系統(tǒng)可以代替實(shí)際力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的基礎(chǔ)，可以是使用者在不接觸實(shí)驗(yàn)臺的情況下，仍能對實(shí)驗(yàn)有深刻認(rèn)識的重要保證， 它可以對以下三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬： 1. 拉伸實(shí)驗(yàn)。 2. 彈性模量 E 及泊松比m的測定。 3. 梁的純彎曲正應(yīng)力的測定。 2) 數(shù)據(jù)存儲模塊 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果存儲在虛擬儀器的系統(tǒng)中，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時進(jìn)行調(diào)用，用于輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)處理模塊處理。 3) 數(shù)據(jù)處理模塊 對數(shù)據(jù)存儲模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括使用公式對一些必要數(shù)據(jù)的計(jì)算，以及應(yīng)用一些數(shù)據(jù)生成曲線圖或表格。 4) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告打印模塊 對實(shí)驗(yàn)的總體過程生成一份書面的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括將實(shí)驗(yàn)存儲模塊內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理模塊處理好的數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟等一系列元素，便于老師檢查實(shí)驗(yàn)和學(xué)生課后更加系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。 5) 有限元仿真模塊 對于拉伸實(shí)驗(yàn)來說，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是非常明顯的，便于實(shí)驗(yàn)者輕易地觀察到，但是對于彈性模量 E 及泊松比m的測定和梁的純彎曲正應(yīng)力的測定這兩個實(shí)驗(yàn)來說，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象十分微小，不利于觀察，因此利用有限元仿真，對實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行仿真， 將試件產(chǎn)生的變化放大，有利于觀察[9]。 6) 視頻嵌入模塊 將實(shí)驗(yàn)過程的完整視頻存入 labVIEW 中，展示在人機(jī)交互界面。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者點(diǎn)擊開 始實(shí)驗(yàn)后就進(jìn)行播放。其中包括拉伸實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)臺的工作視頻，一般為 rmvb 或 avi 文件。以及對彈性模量 E 及泊松比m的測定和梁的純彎曲正應(yīng)力的測定兩個實(shí)驗(yàn)的有限元仿真視頻，一般為 flash 文件。 （2） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括以下幾個方面： 1） 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)的目的是說明該實(shí)驗(yàn)在材料力學(xué)教學(xué)中的意義，主要為明確學(xué)習(xí)者在使用該系統(tǒng)學(xué)習(xí)時的學(xué)習(xí)目的，它的表達(dá)使用文字： 2） 實(shí)驗(yàn)設(shè)備：實(shí)驗(yàn)設(shè)備中包括了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中所有會被用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過本模塊，使用者可以熟悉所有設(shè)備的控制面板，基本功能和相應(yīng)的操作； 3） 實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)原理詳細(xì)介紹了每個實(shí)驗(yàn)的基本原理，實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖和相關(guān)的計(jì)算公式，同時以文字和圖片來展示，通過使用實(shí)驗(yàn)原理部分，可以將實(shí)驗(yàn)的總體過程大致掌握； 4） 實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟是使用者在了解實(shí)驗(yàn)原理后對原理進(jìn)行補(bǔ)充，可以使用者更加簡單的使用本實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，并能加快學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)速度，是一份總體操作的指導(dǎo)書[10]。 3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果 了解拉材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的原理以及重要性,能用 labVIEW 進(jìn)行材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模擬，使實(shí)驗(yàn)者在計(jì)算機(jī)上快速準(zhǔn)確地完成相關(guān)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程[11]。在不限時間、不限地點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，盡可能地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。通過網(wǎng)上的數(shù)據(jù)等平臺獲取實(shí)驗(yàn)知識，便于學(xué)生的理解操作，提高學(xué)習(xí)效率[12]。 三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)） （1） labivew 編程技術(shù) labVIEW 是虛擬儀器開發(fā)工具，其外觀和操作均模仿現(xiàn)實(shí)儀器，因此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬通過 labVIEW 的圖形化編程進(jìn)行對實(shí)際力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的仿真。labVIEW 又稱虛擬儀器，即 VI，其編程界面包括前面板和程序框圖兩個部分。 1. 前面板：前面板是圖形用戶界面，該界面是用來模擬真實(shí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的操作界面，由輸入控件和顯示控件組成，它們是 VI 的輸入/輸出端口。輸入控件指旋鈕按鈕轉(zhuǎn)盤等模擬儀器的輸入裝置，為 VI 程序的程序框圖提供數(shù)據(jù)。顯示控件是指圖標(biāo)、指示燈等模擬儀器的輸出顯示裝置，用以顯示程序框圖獲取或生成的數(shù)據(jù)。 2. 程序框圖：每個前面板都有一個程序框圖與之對應(yīng)。程序框圖是源代碼的集合它是定義 VI 功能的圖形化源代碼。程序框圖由節(jié)點(diǎn)、端口和數(shù)據(jù)連線等組成，在框圖中對VI 編程就是對輸入信息進(jìn)行運(yùn)算處理，最后在前面板上把結(jié)果顯示給用戶。 （2） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容指導(dǎo)界面 通過文件 I/O 操作，創(chuàng)建一個文件用于存放實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)內(nèi)容，給出存儲路徑，這時 labVIEW 將返回一個引用句柄]。使用文件 I/O 函數(shù)對已經(jīng)打開的文件進(jìn)行，釋放寫入操作。關(guān)閉文件后引用句柄將被釋放。通過這種方式，就將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)內(nèi)容寫入labVIEW。 （3） 實(shí)驗(yàn)視頻嵌入 labVIEW 可以實(shí)現(xiàn)和 flash，media player 等控件一樣的播放視頻。主要利用的是 labVIEW 的控件工具“Active container”，可以通過自定義控件來實(shí)現(xiàn)視頻的播放，然后通過對這些類的“屬性”，“方法”，“屬性節(jié)點(diǎn)”，“調(diào)用節(jié)點(diǎn)”， 以及“事件結(jié)構(gòu)”來實(shí)現(xiàn)播放存儲在計(jì)算機(jī)中常見格式視頻文件[13]。 （4） 有限元仿真 根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元剛度矩陣，這是有限元法的基本步驟之一。 （5） 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀取 labVIEW 可以讀寫文本文件、數(shù)據(jù)報(bào)表文件、二進(jìn)制文件和測試文件。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成表格數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,數(shù)據(jù)的保存分為兩個階段[14]。第一階段，通過表單形式顯示在主程序界面，方便用戶直觀查看測試參數(shù)是否已滿足要求。第二階段，把表單數(shù)據(jù)保存到 Excel 文件中，可供用戶打印查詢。如果數(shù)據(jù)不需直觀顯示在主程序界面上，也可保存到 TXT 文件中[14] 。 （6） 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理1）拉伸實(shí)驗(yàn) 1. 屈服極限的計(jì)算 屈服階段，若載荷是恒定的，則此時的應(yīng)力成為屈服強(qiáng)度ss 。上屈服強(qiáng)度則是ssu 試樣發(fā)生屈服首次下降前的最高應(yīng)力，下屈服強(qiáng)度ssi 則是屈服期間不計(jì)初始瞬時效應(yīng)時的最小應(yīng)力。屈服強(qiáng)度按式ss = Ps / s0 計(jì)算，上屈服強(qiáng)度按式ssu = Psu / s0 計(jì)算， 下屈服強(qiáng)度按式ssi = Psi / s0 計(jì)算。 2. 強(qiáng)度極限的計(jì)算 最大拉力值與原始橫截面值之比稱為抗拉強(qiáng)度sb ，sb = Fb / s0 。 3. 斷后伸長率計(jì)算 試樣拉斷后， 標(biāo)距內(nèi)的伸長與原始標(biāo)距的百分比稱為斷后伸長率d ， d= (L1 - L0 ) / L0 ′100% 。 4. 斷面收縮率的計(jì)算 斷面收縮率Y 是試樣拉斷后，原始橫截面積 s0 與頸縮處最小橫截面積 s1 之差與原始橫截面積的百分率： Y = (s0 - s1 ) / s1 ′100% 。 2） 彈性模量 E 及泊松比m的測定 n 計(jì)算每一個電阻應(yīng)變片各遍讀數(shù)的算術(shù)平均值： D = ?Dei / n 。 1 再將正反兩面縱向片橫向片的算術(shù)平均值分別取平均值后， 代入式 E = DP / Bt Dex 和式m= / 計(jì)算 E 和m。 3） 梁純彎曲段正應(yīng)力的計(jì)算 n 計(jì)算每個測試點(diǎn)應(yīng)變的算術(shù)平均值Dei = ?De/ n 。 j =1 按Ds(i ) = EDe(i ) 式計(jì)算實(shí)驗(yàn)值； 按Ds(i ) = DFaY / 2Iz 式計(jì)算理論值； 以理論值為準(zhǔn)計(jì)算實(shí)驗(yàn)值的百分誤差d=（s理 -s實(shí)）/s理 ′100% [15]。 （7） 實(shí)驗(yàn)報(bào)告的生成 報(bào)表是以打印格式顯示數(shù)據(jù)的一種有效方式，它根據(jù)用戶需求重新組織數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)，并按特定的格式顯示或者打印。這里采用 Excel 實(shí)現(xiàn)自動報(bào)表功能，而本 Excel 身就是一個巨大的二維表格, 非常適合記錄大量有規(guī)律的數(shù)據(jù)。利用 labVIEW 的報(bào)表生成子 VI, 分兩步動態(tài)實(shí)現(xiàn) Excel 報(bào)表生成。首先初始化報(bào)表, 包括寫入標(biāo)題、說明、表格每項(xiàng)數(shù)據(jù)的意義等，然后把處理完的數(shù)據(jù)一次寫入 Excel[16]。 2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃 第 1 周：查閱文獻(xiàn)，了解畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的研究意義 第 2 周：查閱文獻(xiàn)，了解畢業(yè)設(shè)計(jì)題中相關(guān)內(nèi)容的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 第 3 周：閱讀文獻(xiàn)，掌握畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容及技術(shù)路線 第 4 周：撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告，準(zhǔn)備開題報(bào)告答辯 第 5 周：了解材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的原理步驟數(shù)據(jù)分析及結(jié)論第 6 周：掌握 labVIEW 編程技術(shù) 第 7 周：掌握 labVIEW 編程技術(shù)及簡單有限元分析 第 8 周：完成實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)框架及功能模塊的搭建第 9 周：完成拉伸實(shí)驗(yàn)的 labVIEW 仿真，中期檢查 第 10 周：完成彈性模量及泊松比實(shí)驗(yàn)的 labVIEW 仿真第 11 周：完成純彎曲實(shí)驗(yàn)的 labVIEW 仿真 第 12 周：撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 13 周：撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 14 周：撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 15 周：完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文修改及答辯 ppt 第 16 周：論文答辯 四、需要閱讀的參考文獻(xiàn) [1] 、韓錫斌, 胡超, 程建鋼. 《材料力學(xué)》多媒體仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J]. 力學(xué)與實(shí)踐, 2002, 24(6):68-71. 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[16] 、 Xue Zhenniu,Fuan Wen,Yanlian Sun.Reseach and design on virtual experiment system integration based on web service.Open journal of social sciences,2014,2,74-80. 附：文獻(xiàn)綜述或報(bào)告 文獻(xiàn)綜述 基于 labVIEW 的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)研究 摘要：材料力學(xué)模擬仿真技術(shù)在未來有很好的發(fā)展前景。而與labVIEW結(jié)合后在以后的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中會充分應(yīng)用電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，使學(xué)生直接應(yīng)用計(jì)算機(jī)完成包括數(shù)據(jù)處理的全部實(shí)驗(yàn)過程。 關(guān)鍵詞：labVIEW,材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬,測試系統(tǒng)前言 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)用戶可以根據(jù)自己的需要靈活的定義儀器功能，通過不同 功能模塊的組合可構(gòu)成多種實(shí)驗(yàn)儀器，不受限于教材內(nèi)容，有助于老師的教學(xué)和學(xué)生的課后自主練習(xí)提高[1]。模擬系統(tǒng)將所有的儀器控制信息均集中在軟件模塊中，可以采用多種方式顯示采集的數(shù)據(jù)、分析的結(jié)果和控制的過程[2]。這種對關(guān)鍵部分的轉(zhuǎn)移進(jìn)一步的方便了老師的講解和同學(xué)的理解。由于虛擬儀器的關(guān)鍵在于軟件，避免了硬件局限性大的影響，極大地節(jié)省了校園教學(xué)空間和同學(xué)們的等待時間，使老師的指導(dǎo)更加靈活[3]。本系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形用戶界面（GUI）,可用計(jì)算機(jī)直接讀數(shù)[4]。根據(jù)工程的實(shí)際需要，使用人員可以通過軟件編程或采用現(xiàn)有分析軟件，實(shí)時、直接的對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理。虛擬儀器模擬系統(tǒng)價格低，而且其基于軟件的體系結(jié)構(gòu)還大大節(jié)省了研發(fā)時間[5]。 1. 模擬系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖 該系統(tǒng)將三個實(shí)驗(yàn)架構(gòu)在系統(tǒng)主模塊上，具有理論指導(dǎo)功能，使用者可以使用該系統(tǒng)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)，比教科書更加簡單易懂。并且可以對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬演示，有助于教師講解和學(xué)生學(xué)習(xí)。在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，該系統(tǒng)會自動處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、生成曲線圖和圖表，并自動打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告。模擬系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖見圖 1。 圖 1. 模擬系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖 2. 實(shí)驗(yàn)操作 使用者通過模擬出來的實(shí)驗(yàn)場景，對實(shí)驗(yàn)環(huán)境有一個直觀的感受，是使用者雖然在使用虛擬儀器單曲有一種身臨其境的感覺。然后在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)界面上學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?使學(xué)習(xí)者能夠該實(shí)驗(yàn)在力學(xué)教學(xué)中的意義，以文字的形式，讓使用者明白希望通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)成什么樣的目標(biāo)：同樣，在指導(dǎo)界面上理解實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)原理包括了實(shí)驗(yàn)的基本原理和相關(guān)公式，學(xué)習(xí)過后，可以大體上掌握實(shí)驗(yàn)的基本流程。在實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，程建剛等人增加了實(shí)驗(yàn)步驟，這是對實(shí)驗(yàn)原理的補(bǔ)充[5]。老師通過編寫實(shí)驗(yàn)步驟，使用圖片或文字的方式，為使用者提供了一個標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)流程。實(shí)驗(yàn)步驟具體到每個實(shí)驗(yàn)設(shè)備個別操作，是一份總體的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，能夠幫助使用者快速、有效的了解該實(shí)驗(yàn)的操作步驟。了解過實(shí)驗(yàn)步驟后，開始認(rèn)識實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其中包括了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中所有將要用到的設(shè)備，使用者通過該階段了解實(shí)驗(yàn)的操作面板和熟悉實(shí)驗(yàn)步驟 [11]。實(shí)驗(yàn)開始后，模擬系統(tǒng)開始提取數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理輸出圖標(biāo)和曲線圖，并 生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，使用者將實(shí)驗(yàn)報(bào)告下載打印后交給老師并進(jìn)行課后復(fù)習(xí)。周塔等人格外添加了教師端，可以對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)打分[6]。 3. labVIEW 圖形化編程特點(diǎn) 與傳統(tǒng)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比具有以下特點(diǎn)： 1） 不需要物理上的實(shí)現(xiàn)形式：模擬系統(tǒng)通過軟件功能來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)處理與分析及數(shù)據(jù)顯示這三個部分的物理功能。它充分利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，在基本硬件的支持下，利用軟件完成數(shù)據(jù)的采集、控制、分析和處理以及測試結(jié)果的顯示等，通過軟硬件的配合來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺的各種功能[7]； 2） 在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟硬件資源共享：系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是將計(jì)算機(jī)資源與儀器硬件、數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合，在系統(tǒng)內(nèi)共享軟硬件資源。打破了以往由廠家定義儀器功能的模式，而變成了由用戶自己定義儀器功能[8]。通過編程就可以使用不同的方式進(jìn)行同一實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)更多實(shí)驗(yàn)和自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[9]。 3） 圖形化的軟件面板：本系統(tǒng)沒有普通實(shí)驗(yàn)臺的控制面板，而是利用強(qiáng)大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，以在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化的軟面板來代替常規(guī)實(shí)驗(yàn)臺的面板，軟鍵盤上有與實(shí)際儀器相似的按鈕、開關(guān)、指示燈及其它控制部件。在操作時，學(xué)習(xí)者通過鼠標(biāo)或鍵盤操作軟面板，來檢驗(yàn)儀器的通信與操作 [10]。 4. 模擬系統(tǒng)功能模塊的實(shí)現(xiàn) 1） 數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫是進(jìn)行材料力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，它記錄某種材料在實(shí)驗(yàn)時應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系的所有對應(yīng)數(shù)據(jù)。韓錫斌等人通過設(shè)計(jì)兩個 ActiveX 控件，使用 Visual C++和 CDaoRecordest 類編寫的，使用 ActiveX 控件的方法來實(shí)現(xiàn)對指定數(shù)據(jù)庫的訪問與控制[11]。 2） 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)界面 楊忠仁等人所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)界面最具代表性，其中包括實(shí)驗(yàn)場景、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等[12]。 3） 有限元仿真 吳宏等人通過 VB 封裝 ANSYS 來實(shí)現(xiàn)有限元分析，為了使學(xué)生在使用時無需了解ANSYA 軟件，采用了完全封裝的方法設(shè)計(jì)，即只需要用戶點(diǎn)擊本軟件的界面選項(xiàng)，不需要在 ANSYS 中進(jìn)行任何操作[13]。 4） 實(shí)驗(yàn)視頻嵌入 王琳等人使用 Flash 通過 ActionScript 語句，嵌入實(shí)驗(yàn)過程視頻，并使界面有了交互功能[14]。 而王紅杰等人通過 VRML，即虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)造語言，其作用就是虛擬現(xiàn)實(shí)場景，同時也是一種三維造型和渲染的圖形描述性語言。VRML 的目的主要是為了在網(wǎng)頁中實(shí)現(xiàn)三維動畫效果以及基于三維對象的用戶交互[15]。 5） 數(shù)據(jù)分析 文獻(xiàn) 13 中利用 ANSYS 后處理模塊把應(yīng)用圖和變形圖等結(jié)果報(bào)告及相關(guān)數(shù)據(jù)放入結(jié)果文件夾，在 VB 中采用 load 的方法調(diào)用這些圖片和結(jié)果報(bào)表就可以在 VB 界面中方便的查看 ANSYS 計(jì)算結(jié)果。 6)實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成 李偉等人研究的模擬系統(tǒng)中具有實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動生成的功能，通過ANSYS后處理自動生成[16]。 總結(jié) 面對當(dāng)前高校招生人數(shù)的不斷擴(kuò)大，當(dāng)前學(xué)校的教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源已無法滿足教學(xué) 的需求，很多專業(yè)特別是理工類專業(yè)，對實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際動手能力的要求特別高，雖然當(dāng)前政府部門加大了對學(xué)校的教育和科研經(jīng)費(fèi)投入，可是面對眾多需要實(shí)驗(yàn)的同學(xué)， 學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備無論從數(shù)量上還是從質(zhì)量上都已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求。隨著計(jì)算機(jī)硬件及程序設(shè)計(jì)語言的發(fā)展，產(chǎn)生了虛擬儀器。開發(fā)虛擬儀器，使用虛擬儀器做實(shí)驗(yàn)可以有效節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，也能使實(shí)驗(yàn)在時間和空間上得到有效擴(kuò)展。 參 考 文 獻(xiàn) [1]、Yao Yonggang, Yao Bowen, Pan Zong. 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