开放式网上理论力学虚拟实验室软件简介

适用专业:机械工程、力学、材料与土木等专业。

理论力学课程是机械、材料、土木等专业的一门主干专业基础课,其理论性和实践性都很强,它的实验教学是理论力学课程教学中的一个重要实践环节。目前,现实中的理论力学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.实验室难以摆放足够数量的设备,无法满足学生独立进行实验的需求;

随着招生规模的逐年扩大,教学改革的不断深入,理论力学实作为力学基础学科,实验教学又是理论教学的重要组成部分面对实验室场地有限等窘境,开展新型教学模式,利用理论力学虚拟实验辅助教学迫在眉睫。

该软件是针对大学专科、本科《理论力学》实验课程配套开发的可在网上开展的虚拟实验,该软件在使用过程中有如下优势:

1.系统模拟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,提供网上实验教学过程管理功能,包括:典型实验库的维护、实验安排、提交实验报告、实验批改、成绩统计、实验答疑等功能模块。可满足高等学校和各类培训机构实验教学环节的需要,尤其适用于远程教学;

2.使用3DMAX、Maya等专业软件进行三维建模、动画制作、场景渲染等,模拟真实的实验环境。

使用现有器材模型,系统可开展如下11个常用理论力学虚拟实验的训练:

•    摩擦力实验;

•    刚体碰撞实验;

•    单摆实验;

•    四连杆机构实验;

•    简支梁结构模态分析实验;

•    质心与转动惯量实验

•    自由振动实验

•    机构运动演示实验

•    刚性转子动刚度和动反力实验

•    哥式惯性力实验

•    离心惯性力演示实验

图一理论力学实验室界面

(1)单摆虚拟实验

本虚拟实验提供钢球和乒乓球两种材质小球开展实验,固定小球单摆范围θ<5°,取小球摆动周期多次,减小系统误差,达到实验数据灵活处理,通过周期公式反解出重力加速度,并通过实验对比两种材质小球实验现象,得出空气浮力对测重力加速度的影响,从而得出测重力加速度的影响因素。

图二测量小球直径

图三单摆范围

(2)简支梁结构模态虚拟实验

本虚拟实验提供了四个模块,实验过程按照结构、采样、分析和动画的顺序来进行,其中结构对简支梁进行了节点划分,采样确定实验测点位置和测点个数,点击触发采样之后,采样数据在电脑屏幕中实时跟踪显示,软件会对其进行模态分析、振型编辑,而动画则显示了简支梁的一阶阵型图、二阶阵型图、三阶阵型图和四阶阵型图,实验现象与实验结果与真实开展的实验无异。

图四简支梁触发试样

图五触发试样图像

(3)摩擦力虚拟实验

本虚拟实验提供了两种参数的测量选择,同时提供五种材质的功能选择,学者实验过程中可以随机选择测量参数,动摩擦因数或静摩擦因数。测定静摩擦因数时,通过逐渐增加斜面倾角,测得滑块将滑未滑时的摩擦角,其正切值即为静摩擦因数,这能够使学者清楚的了解摩擦角的含义并很好的区分静摩擦与滑动摩擦的区别。测定动摩擦因数时,实验中才用光电门和数字显示器,当带有遮光条的滑块通过两光电门时,能够求得加速度,从而求得动摩擦因数,这个过程不但使学者了解光电传感器的使用,而且考查学生综合运用所学理论和实验技术的能力,培养学生独立分析和解决问题的能力。

图六测量摩擦角

图七安装光电门

图八滑块通过光电门,光电计时器计时

 

(4)机构运动演示实验

本虚拟实验提供了近十种类型机械运动机构的运动形式,包括机器与机构、平面边杆机械的基本形式、平面连杆机构、凸轮机构的形成、齿轮机构的各种类型、齿轮的基本性质、轮系的基本形成、间歇运动机构、组合机构和空间连杆机构,加强学者对机械与机器的认识,通过实验,直观地、全面地了解理论力学相关机构,了解各种机构的组成及应用情况。

图九机构陈列

图十机械豹

图十一叠合组合

(5)四连杆机构演示实验

本虚拟实验提供了所搭接机构的机构运动,通过演示实验,使学者了解平面连杆机构的组成形式,铰链四连杆机构中曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构的组成特点。

图十二双曲柄机构

(6)自由振动虚拟实验

本虚拟实验提供了单自由度振动系统四种不同参数的测量,学者通过实验可以掌握单自由度振动系统静刚度,固有频率、阻尼比、等效质量的测量方法,同时也可以掌握阻尼对单自由度振动系统振动衰减的影响,便于学者综合学习振动相关知识。

图十三参数测量选择

(7)质心与转动惯量测量虚拟实验

本虚拟实验提供了质心与转动惯量两种理论力学理论测试,利用称重法测量质心,利用三线扭摆法和复摆法测得物体转动惯量,并在测量物体转动惯量过程中,学者可以对两种测量方法进行学习和比较。

图十四实验装置

图十五三线扭摆调平

(8)哥式惯性力演示实验

本虚拟实验是理论力学运动学中重要概念哥氏加速度对应哥式惯性力的演示实验,画抽象的概念具象化,让学者更易把握运动学中绝对加速度、相对加速度、牵连加速度和科氏加速度对应的关系,感受哥式惯性力的存在。

图十六实验场景

图十七实验装置

(9)刚性转子动刚度与动反力虚拟实验

本虚拟实验提供了实验装置的虚拟连接和转子装置在实验过程中的具体操作,虚拟基频检测仪和相关测试仪器的使用,学者通过能够掌握转子动平衡的原理和操作。

图十八虚拟连接仪器

图十九转子装置

(10)刚体碰撞虚拟实验

本实验提供了铁球、铝球和铜球三种小球的碰撞,实验中包含实验介绍和实验数据结果处理使学者掌握刚体碰撞实验仪的操作流程,实验数据灵活处理,方便学者掌握碰撞相关理论,并求出碰撞能量差和恢复系数。

图二十实验装置

图二十一三心同线

图二十二单摆过程

图二十三平抛过程

(11)离心惯性力演示实验

本实验提供了离心惯性力演示过程,通过配有电机和控制器可以实现转速控制下离心惯性力的现象。演示仪设有防护玻璃、观察窗和灯光等,不仅为使用者提供了运行的安全,还达到良好的观测效果。

图二十四调节旋钮控制转速

图二十五实验现象

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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