振动力学三维虚拟实验教学系统简介

振动力学是机械、力学和土建专业二级学科主干专业课。振动力学专业培养具备力学基础理论知识、计算和试验能力,能在各种工程(如机械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等)中从事与力学有关的科研、技术开发、工程设计和力学教学工作的高级工程科学技术人才;工程中称振动问题研究的对象为系统,它可以是一个零部件、一台机器或者一个完整的工程结构等等;称外界激振力等因素为激励或输入;称作用于系统后使之产生的振动为响应或输出。通过该虚拟仿真软件主要让学生学习掌握《振动力学》课程基本的实验方法及其基本知识。

本虚拟仿真实验室软件可满足以下主要功能:

本系统在网上开展虚拟实验课程,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;B/S结构,支持网页界面操作方式,软件首页支持学生、课程教师、教务管理员、系统管理员使用不同的身份登录软件;不同的身份具有不同的操作权限;提供系统管理功能,包括用户、分组、角色、权限、日志管理等;支持完整的教学过程管理功能,包括开课管理、实验的开课管理、典型实验库的维护、实验教学安排、实验结果的批改、实验成绩统计查询等功能;同时可以和虚拟仿真实验教学管理平台无缝集成;           

为保证软件的交互性和扩展性,本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。

该软件支持典型实验个数9个;

          1)    锤击法模态分析虚拟实验

          2)    电测动态应力虚拟实验

          3)    非线性振动分岔现象虚拟实验

          4)    龙洗综合振动虚拟实验

          5)    车辆与桥梁耦合系统综合性虚拟实验

          6)    转子系统演示实验

          7)    多普勒激光测振仪器模态测量实验

          8)    白车车身模态分析实验

          9)    简支模型桥静动力学实验

(1)锤击法模态分析虚拟实验

本虚拟实验模拟了锤击法模态试验的完整实验流程,模拟了真实的实验场景和实验设备,实验中通过ModelView软件设置进行实验3D模型绘制、数据测量、实验和工作状态模态分析及模态振型动画展示。

图1 实验场景

图2 模型建立如图

图3 力锤敲击

图4 实验数据

(2)电测动态应力虚拟实验

电测动态应力实验提供悬臂梁冲击实验及简支梁振动实验两种实验选择,模拟了两个实验的完整实验流程,悬臂梁冲击实验通过调节手轮,点击载荷让其落下测得冲击应变曲线;简支梁振动实验通过设置不同参数,得到简支梁振动曲线。

图5 选择实验

图6 悬臂梁冲击实验

图7 冲击应变曲线

图8 简支梁振动曲线

(3)非线性振动分岔现象虚拟实验

本虚拟实验模拟了非线性振动分岔现象实验的完整实验流程,提供干摩擦材料、库伦摩擦材料和粘性摩擦材料三种材料选择,通过设置不同速度,观察实验现象。

图9 实验场景

图10 实验现象

(4)龙洗综合振动虚拟实验

本虚拟实验模拟了龙洗综合振动实验的完整实验流程,模拟了真实的实验场景和实验设备,在实验中连续用手搓动龙洗使其发生振动(水花飞溅),同时改变水量的多少,观察龙洗的振动频率,来让学生试探讨龙洗盆材质与其构造所带来不同的共振现象。

图11 实验场景

图12 记录振动频率,四个通道的振幅和相位差,分析龙洗的振型

(5)车辆与桥梁耦合系统综合性虚拟实验

本虚拟实验模拟了车辆与桥梁耦合系统综合性实验的完整实验流程,其目的是为了让学生学习并掌握桥梁结构模态参数的测试与分析方法并掌握不测力算法进行模态参数识别的原理和方法。

图13 实验选择

图14 实验场景

图15 数据收集

图16 数据计算

图17 模态阵形图

(6)转子系统演示实验

该虚拟实验模拟了转子系统演示实验的实验流程,通过轴心轨迹在通过临界转速时,长短轴发生明显变化,通过观察轴心 X-Y图中振幅-相位变化,可以判断临界转速的原理,来达到探究使用转子转动的振幅-转速曲线、轴心轨迹、波形图等判断并找出转子临界转速的目的。

图18 实验场景

图19 实验曲线

(7)多普勒激光测振仪器模态测量实验

该实验利用光学普遍的折射、反射效应,以传感器的激光束作为发射光源,对振动着的被测体进行点测、线测(二维测量)或三维测量(轮廓测量),同时把收集的测量数据经过内置软件的一系列算法处理,得出被测体振动的相关参数的方法。

图20 收集数据 

图21 计算数据

(8)白车车身模态分析实验

本虚拟实验模拟了白车车身模态分析实验的完整实验流程。该实验利用单点激振、多点拾振的方法,并对采样信号进行多次平均降噪处理,通过LMS系统进行模态参数识别的方法来达到用试验结果验证白车身有限元模型的正确性,考查其固有特性是否满足设计要求的实验目的。

图22 实验场景

图23 安装激振器

图24 车辆震动

(9)简支模型桥静动力学实验

本虚拟实验模拟了简支模型桥静动力学实验的完整实验流程。实验内容观测为平直斜坡海岸水波的正向入射实验会产生水波的浅化现象,水动力学浅化实验通过调节坡度大小,观察到水流运动现象。

图25 实验场景

图26 实验仪器 

图27 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:Windows Server ,Linux/Unix Server

Web服务器:Tomcat6.0,JDK6.0

数据库:MySQL

客户端运行环境

操作系统: All Windows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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