材料成型三维虚拟实验教学系统简介

材料成型技术课程是机械、材料专业的一门主干技术基础课,其理论性和实践性都很强,它的实验教学是课程教学中的一个重要实践环节。目前,现实中的材料成型实验存在以下局限性:

1.    硬件依存性较强,只能在特定实验室进行;

2.    需要数量较大的仪器设备,才能满足学生独立进行实验的需求;

3.    部分实验具有一定危险性,如发动机曲轴连杆锻造实验;

4.    部分实验费时、费力、效率低,而且实验过程繁琐、枯燥。

材料成型技术虚拟实验室软件建设满足以下主要功能:

本系统是针对大中专院校《材料成型技术》实验课程配套开发的可在网上开展的虚拟实验课程,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;为保证软件的交互性和扩展性,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。

本虚拟仿真实验教学课程主要包含以下典型实验:

•    铸造虚拟实验

•    锻造虚拟实验

•    发动机曲轴连杆锻造虚拟实验

•    铸造成型性评价虚拟仿真实验

•    铸造虚拟实验-HTC版

(1)铸造虚拟实验

铸造虚拟实验铸造虚拟仿真实验教学系统为铸造热加工实验,三维模拟了铸造车间、造型机和对应工具等。用户可以在场景中漫游体验,进行交互式学习。系统以流程图的模式,模拟了零件铸造的主要工序,模拟了由零件图计算得到木模样图尺寸,并制作木模和型砂芯,确定分型面,制作上下砂箱,直至浇注出零件的完整铸造加工过程。系统包括简单回转铸件砂型铸造和槽轮砂型铸造两个不同的实验。

首先,学生根据典型零件图,通过理论计算得到木模样图尺寸。

填写木模样尺寸

确定分型面,可360度交互式查看

确定分型面

铸造车间全貌,下一步操作会高亮提示。

铸造车间全貌

制作上砂箱,上料过程。

制作上砂箱

砂箱制作完毕,取出浇口棒和冒口棒,并用小铲子清理浇口和冒口。

清理浇口和冒口

取出木模,用工具修整边口和掉落的沙子。

取出木模并清理

继续制作下砂箱,并将上下砂箱装配固定。

制作下砂箱并合模

进行铁水浇注,完成后取掉模具,待冷却完毕后取出铸件。

用铁水浇注

(2)锻造虚拟实验

本虚拟实验提供齿轮、弯曲连杆两种零件的锻造模拟,同时提供蒸汽-空气模锻锤、热模锻压力机两种仪器的工作原理介绍,形象直观的表现实验现象,可以更好的帮助材料成型专业的学生掌握锻造的相关知识。

本虚拟仿提供完整的实验教学流程,包括连杆的结构认知、连杆的工作原理、材料的选取,学生了解这些基本的知识之后可以在网上通过鼠标和键盘模拟预锻、终锻、切边等完整的锻造流程。

锻造实验场景

仪器工作原理介绍

锻造加工示意图

(3)发动机曲轴连杆锻造实验

该实验包含连杆结构的认知、曲轴连杆的工作原理、连杆材料的选取、模锻过程四个实验环节。

在连杆结构认知环节,系统将连杆分为三部分,对每一部分还辅以简短的介绍以加深认知。

在模锻过程环节,软件模拟连杆分级锻压的过程,每次锻压之后,用户都可以仔细观察模具型腔的形状及锻件的形状变化。

发动机曲轴连杆锻造

曲轴连杆的工作过程

(4)铸造成型性评价虚拟仿真实验

学生可通过软件进行实验器材的认知。

学生可通过软件进行砂型铸造的模拟实验。

1、摸样确认:拖动鼠标查看木模样,点击下一步观察下模

2、合金熔炼:用三个电阻炉融化3种合金,开启电阻炉,调整温度

3、砂型准备:给沙箱划线,放到造型机上填沙

4、砂型准备:回转造型机上部,压平砂,翻转下砂箱,撒上分型砂

5、砂型准备:旋转造型机上部,放置上砂箱,放入浇口棒、冒口棒,填砂,回转造型机上部压平

6、砂型准备:为砂箱插入插销,用气孔针扎出气孔。用取模针去除浇口棒、冒口棒。

7、取下并翻转上砂箱,用取模针取出上、下模样

8、浇注成型:点击砂箱和砂型将两者透明化、观察电阻炉温度,使用氧化锌精炼并去除气体和杂质,用勺子舀取合金熔液进行浇铸

9、测量分析:测量螺旋线试样的长度并将其记录在表格中

(6)铸造虚拟实验立体实验HTC版

本系统是针对各类院校机械专业配套开发的虚拟实验软件,能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。为保证系统的交互性和扩展性,该系统采用国际领先的Unity3D引擎开发而成;

用户在三维实验室场景中自由漫游而不受任何约束;可以从任意视角、任意距离观察实验设备和实验现象。

系统画面效果精美,采用虚拟现实实时渲染处理;同时,交互性良好,用户可以轻松自如地开展实验;经过优化处理后,系统可确保实时运行帧数高于25帧/秒;

系统通过采用三维建模模拟真实的铸造工具模型,系统可支持用户使用当前流行的HTCVive头戴沉浸式VR设备及配套的操作手柄开展虚拟实验。

铸造虚拟仿真实验教学系统为铸造热加工实验,三维模拟了铸造车间、造型机和对应工具等。用户可以在场景中漫游体验,进行交互式学习,模拟制作上下砂箱,直至浇注出零件的完整铸造加工过程。

实验操作流程如下:

1、制作上沙箱

把上砂箱放在平台上,用工具、毛刷清理干净后,划对中线把木模放入上砂箱,放入浇口棒、冒口棒,倒入沙子,并用振击造型机将放入的沙子用抖实、压紧,翻转上砂箱,取出木模、浇口棒和冒口棒,修整掉落的砂子,挖内浇道。

2、制作下沙箱

把下砂箱放在平台上,用工具、毛刷清理干净后,划对中线把木模放入下砂箱,倒入沙子,并用振击造型机将放入的沙子用抖实、压紧,翻转下砂箱,取出木模,修正掉落的砂子。

3、把上下砂箱水平装配在一起固紧;

4、开始用熔融的HT200,或铝合金、或铸钢,开始浇注;

5、经过一段时间冷却后,铸件完全固化,用松砂机松砂,取出铸件,清理浇口和冒口,工场,关闭机器、电源。

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:WindowsServer,Linux/UnixServer

Web服务器:Tomcat6.0,JDK6.0

数据库:MySQL

客户端运行环境

操作系统:AllWindows系列

相关信息:

研制单位:北京邮电大学北京润尼尔网络科技有限公司

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