技术参数及配置要求 | 力学专业虚拟实验系统需求 力学专业虚拟实验系统针对力学专业课程设计开发的虚拟仿真实验软件，主要用于课前预习、课上讲解、课后练习等环节。根据****教学大纲进行设计，采用虚拟仿真技术，分8个实验场景，包含16个虚拟仿真实验项目： 1流速测定实验； 2流量与流量系数实验； 3伯努利方程实验； 4管路阻力实验； 5雷诺实验； 6动量方程实验 7烟气流线实验 8流线演示实验 9光弹三点弯曲梁等差线及等倾线实验； 10对径受压圆盘实验； 11孔板拉伸实验； 12弹性模量和泊松比测试实验； 13动态多点应变测量实验； 14对称超静**构应变测定实验 15位移传感器的标定 16动态信号的采集和FFT等各种图谱分析 一、开发环境： 利用unity3d等三维虚拟现实平台进行设计开发，按照本校相关实验项目相关仪器设备1:1比例，精细还原外观、结构和工作原理，****实验室的环境布局、照明、声音等细节场景设计，****实验室一致的环境。 系统内场景自适应全屏及显示分辨率，并可根据特定显示设备自定义分辨率。三维场景漫游，全方位、无拘束的观察与行动自由度。渲染技术要求在中端硬件平台上保证场景以每秒至少60帧的速度平滑渲染输出，而在相对较低端的硬件配置条件下，也能维持每秒30帧以上的流畅播放速率。 二、运行环境 1）单机版：可独立运行在笔记本、台式机上，支持操作系统winXP、win7、win8、win10、win11等。可以发布成web版本。 2）移动版：可以独立运行在手机等移动端，支持安卓、iOS、Harmony OS等主流系统，app文件大小限制在100MB以下，尽量减少调用不必要应用隐私权限。 三、交互设计要求 通过鼠标、键盘、触屏等均可操作实现模拟实验。采用三维互动、漫游、动画以及同平面元素结合构建虚拟仿真实验内容。系统具有碰撞检测功能。可实现多参数调节、非线性实时处理操作。例如，调整翼形冲角观察烟气流线变化、操作阀门控制流速、调整砝码观察射流对水箱的反作用力等。系统对用户操作的反馈实时、精确，确保实验过程的逼真度。 四、数据采集与分析： 虚拟实验过程中，动态显示和采集数据，可自动和手动记录实验数据，并提供数据分析工具。用户可以实时查看数据图表，可实现如FFT等功能，计算弹性模量、泊松比等参数，与理论预期进行对比，生成实验报告。 五、系统安全设计 有软硬结合的加密方案，消除软件意外扩散的风险。 升级最新版的开发平台，消除系统漏洞风险。具备一定的异常检测能力，具有减少病毒的侵害和恶意修改能力。 软件系统只保留存储等必要权限，减少对用户隐私数据的读取，无修改和攻击其他软件、系统的行为。 六、其它要求 版权：软件著作权及版权归****所有 服务：五年免费维护，终身免费升级，有本地维修服务机构，电话支持7x24小时应答，报修24小时内现场维护。 成交前向用户提供3个产品小样演示操作。 七、实验项目内容设计 每个实验项目包含下列功能 ****实验室场景，通过鼠标或键盘（移动端通过触屏等方式）自如控制视角移动，****实验室内部自由漫步，全方位、****实验室的布局、设施及环境。实验内容应包括： 1实验名称 2登录信息：（单位（班级），编号（学号），姓名 3实验目的 4实验设备（三维展示及简介，呈现仪器的高清特写，细节展现其零部件结构组成，工作原理。） 5实验原理 6实验步骤（与本校实操实验相同） 7数据记录 8数据分析 9实验报告（表单包含登录信息，实验数据处理，思考题等内容） 注：软件操作中，随机2次验证登录信息，每个操作步骤的界面包括帮助提示信息，上一步、下一步、返回主界面等功能。 项目具体要求 1、流速测定实验 本系统集成皮托管的流速测定仿真实验模块，基于仿真实验流程，依据仿真实验装置计算模型模拟，系统可测定左、右侧压管液面高度差△h，沿流线列伯努利方程可得u=√(2g ((P_B-P))/γ)，将式中((P_B-P))/γ代换为△h；引入流速系数=1.0，依据式u=√2gΔh，系统可计算出流速u。 具体实验操作步骤 1. 关闭上水管和各实验管的进水阀门，打开流速、流量实验管的出水阀门。 2. 接通电源，水泵工作。 3. 缓缓打开上水管阀门和实验管进水阀门，调节流量，保证实验管中水流充足。 4. 将进水阀门调整至适当开度，待水流平稳，，排除导压管中的气体测出测压管的液面高度。 5. 调节阀门开度，在不同流速时分别进行测量，并将数据记录于表中。 实验中可以呈现液体的流动，重点模拟皮托管中液体的流动，模拟改变阀门的开路的大小，管路中液体在管路升降高低的过程。 2流量与流量系数实验 本系统集成流量和流量系数测定仿真实验模块，基于仿真实验流程，系统可设定文丘里流量计、孔板流量计的直径d1,d2，假定是无粘性流体在此管中做定常流动。取仿真实验装置过水断面1-1和2-2，并对其列伯努利方程：z_1+P_1/γ+(v_1^2)/2g=z_2+P_2/γ+(v_2^2)/2g，由连续方程得v=v(d/d)2，代入伯努利方程得ν_1=C√Δh，其中C=√2g/√((d_1^4)/(d_2^4 )-1)，从而可得理论流量公式为：Q=v_1 A_1=(πd_1^2)/4 C√h=K√Δh，其中K=(πd_1^2)/4 √2g/√(((d_1^4)/(d_2^4 )-1))；根据以上公式，系统可计算流出量系数=Q/Q。 具体实验操作步骤 1. 关闭上水管和各实验管的进水阀门，打开流速、流量实验管的出水阀门。 2. 接通电源，水泵工作。 3. 缓缓打开上水管阀门和实验管进水阀门，调节流量，保证实验管中水流充足。 4. 将进水阀门调整至适当开度，待水流平稳，排除导压管中的气体测出测压管的液面高度。 5. 利用秒表和计量水箱测出流体的实际流量。 6. 调节阀门，在不同流速时分别进行测量，并将数据记录于表中。 实验中可以呈现液体的流动，重点模拟文丘里与孔板流量计中液体的流动，体现出文丘里与孔板流量计中液体流速的差异，模拟改变阀门的开路的大小，管路中液体在管路升降高低的过程。 3伯努利方程实验 本系统集成伯努利方程实验仿真实验模块，基于仿真实验流程，设计仿真实验装置，其中实验管路在截面I、III、IV尺寸相同，截面II处管路直径增加；在截面I、II、III处测试点位置高度一致，截面IV处高度降低。在不同流速时，可设置测压管的液面高度，同时获得位置水头z、压强水头P/γ、速度水头v2/2g，验证伯努利方程z_1+P_1/γ+(v_1^2)/2g=z_2+P_2/γ+(v_2^2)/2g+h_1。根据连续方程vA=vA=vA=vA=Q，系统可计算计算实际流量、总能量及能量损失。 具体实验操作步骤 1. 接通电源，使水泵工作，将上水箱充满水，并保持较小溢流。 2. 缓缓开启实验管出水阀门，使水流动，并排出气泡。 3. 调整好阀门开度，使水流稳定。 4. 在不同流速时，分别测量个测压管的液面高度，并记录在表7.1中。 5. 观察实验现象，比较各测压管的液面高度，分析其变化和能量变化。 6. 用计量水箱和秒表，测量实际流量，并记录于表7.2中。 7. 切断电源，清理现场。 实验中可以呈现液体的流动，重点模拟I、II 、III、IV处截面液体的流动的差异，，模拟改变阀门的开路的大小，管路中液体在管路升降高低的过程。 4管路阻力实验 本系统集成伯努利方程仿真实验模块，基于仿真实验流程，系统可计算沿程损失以及局部损失。沿程损失一般公式为h_f=(λlv^2)/2dg，得阻力系数λ=2gd/(lv^2 ) Δh_f=(gπ^2 d^5)/(8lQ^2 ) Δh_f，记录测压管液柱水头损失Δh_f，水量Q，时间t，体积流量Q/t,平均流速v，计算得阻力系数λ。局部损失通用计算公式为Δh_f= v^2/2g，对于圆形管道，局部阻力系数为=2g/v^2 Δh_f=(gπ^2 d^4)/(8Q^2 ) h_f，计算方法与沿程阻力系数相同。通过以上公式，系统可计算λ以及值。 具体实验操作步骤 1. 关闭实验台的上水阀门和各实验管进、出水阀门。 2. 接通电源，水泵工作，缓缓打开上水阀门并调整至合适开度。 3. 按照实验顺序分别打开相应实验管的控制阀门，并调整开度，使水流平稳。 4. 调整流量，按照从小到大的顺序逐次测试，记录相应测压管液柱高度和体积流量。 5. 检查记录，整理数据；切断电源，清理现场。 注意： 1. 对各实验管上的测试要逐一进行，同时一定要关闭其他实验管的进、出水阀门。 2. 实验过程中，进水阀门的开启一定要缓慢，否则紊流状态提前出现，影响实验结果。 实验中可以呈现液体的流动，重点模拟沿程阻力、阀门阻力液体在管路中升降高低的差异，模拟改变阀门的开路的大小，管路中液体在管路升降高低的过程。 5雷诺实验 本系统集成雷诺仿真模型计算模块，基于仿真实验流程，本系统通过内置模型计算数值方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程组，可以分析各种流动情况，如湍流、层流和过渡流动。当流速较低时，流体层作彼此平行且不互相混杂的层流运动；当流速逐渐增大到一定值时，流体运动便成为互相混杂、穿插的紊流运动。流速越大，紊乱程度也越强烈。设置反向实验方式先将控制阀门开启得很大，使流体以高速在实验管中流动，然后慢慢将控制阀门关小，使流体以低速、更低速在实验管中流动。这时可看到以下现象：在高速流动时流体作紊流运动； 当流速慢慢降低到一定值时，流体便作彼此不互相混杂的层流运动；如果速度再降低，层流运动状态也更加稳定。系统可设定水温，依据经验公式ν=0.0178/(1+0.0337t+0.000221t^2 )计算水的运动粘度v，并依据Re=vd/ν，系统可自动计算雷诺系数。 具体实验操作步骤 1. 打开上水管阀门，关闭雷诺实验管和伯努利方程实验管的出水阀门，接通电源，水泵工作。 2. 上水箱充满水后调整进水阀门，使之保持较小溢流。 3. 缓缓打开实验管出水阀门，使水流流动，并保持较小的稳定流量。同时上水箱必须保持有较小溢流，以保证水头恒定。 4. 将墨水管出口调整至实验管轴心处，打开墨水控制阀门，并调整流速使其与管中水流相同。 5. 全开出水阀门，在逐渐关闭，直至管中水流达到层流状态后，按照流速从小到大，再从大到小的顺序各进行一组实验，每组取六个流速点。 6. 测量水温，并将实验数据记录于表6.1中。 7. 观察层流状态时，水流流速的抛物线形状分布。 实验中可以呈现液体的流动，重点墨水在管路中的流动过程，分别模拟墨水在管路中由层流状态变为紊流状态的过程以及模拟墨水在管路中由紊流状态变为层流状态的过程，分别测定上雷诺数和下雷诺数。 6动量方程实验 本系统集成雷诺实验仿真实验模块，基于仿真实验流程，本系统通过计算射流对水箱的反作用力以及射流对平板的作用力两种方式，验证恒定流动量方程。这两种方式可模拟射流流入水箱、平板时水箱、平板所受到的反作用力。 系统可计算射流对水箱的反作用力，由动量方程计算其理论值，通过测定其对转轴的力矩得到实测值。即∑F=R=ρQ(av-av)，式中R为水箱对射流的作用力；ρ为水的密度;Q为射流流量;a、a动量修正系数,取1;v为水箱水面的平均流速在X轴的投影，取0；vx为出水孔断面的平均流速在 X 轴的投影，即射流流速v。从而R=ρQv(N)，射流对水箱的反作用力与水箱对射流的作用力大小相等方向相反，又由v=Q/(πd^2/4)可得〖R_x〗^'=(ρQ^2)/(πd^2/4)，其对水箱转轴的力矩为M=〖R_x〗^' L=ρQvL=(4ρQ^2 L)/(πd^2 )，移动砝码后，得到与M相平衡的实验力矩M0，M=GΔS，对M的计算和测量，可求得〖R_x〗^'的实测值 〖R_xc〗^'：〖R_xc〗^'=GΔs/L。 系统可计算射流对平板的作用力时，以仿真装置喷嘴孔轴线为X轴列动量方程：∑F=-R^'=ρQ(av-av)，射流对平板的作用力R_x=(ρQ^2)/(πd^2/4) (N)，其对转轴的力矩为M=R_x L_1=ρQvL_1=(4ρQ^2 L_1)/(πd^2 )，在其作用下，挡板将绕转轴偏转。用户在拉线上设置适当的砝码，可形成与M平衡的实测力矩M，挡板回到受力前的平衡位置，即M=GL。最终得Rx实测值R_xc=(GL_2)/L_1 (N)。 具体实验操作步骤 1. 射流对水箱的反作用力 (1) 关闭喷嘴控制阀门，开启上水控制阀门，接通电源，待实验水箱充满水后，再调整至合适开度，使之保持较小溢流。 (2) 拔出固定插销，调整加力杆上的砝码位置，使水箱保持平衡（用水平仪确定）。 (3) 打开高位水孔（或低位水孔）水流射出，水箱偏转，增大上水控制阀门开度，使实验水箱再次充满水，并保持较小溢流。 (4) 再调整砝码位置，使实验水箱恢复平衡。 (5) 用量筒和秒表测量体积流量。 (6) 重复测量后，变换出水孔再进行测量。 (7) 将测量数据记录于表9.1中。 注意事项： 1） 拔出固定插销后，必须用手扶稳水箱，避免其偏转过大，损坏仪器。 2） 实验结束后必须将固定插销插好。 2. 射流对平板的作用力 (1) 关闭各阀门，接通电源； (2) 选择砝码，将砝码悬挂在挂钩上； (3) 开启喷嘴阀门，使射流冲击挡板，调整阀门开度，使挡板重新恢复平衡位置； (4) 射流稳定后，用量桶和秒表测量体积流量； (5) 改变砝码重量，重复测量； 实验中可以呈现液体的流动，重点模拟水体流入水箱过程，打开喷嘴后水流的喷射现象，砝码位置可调节，并能读取调节位置数值。 7烟气流线实验； 本系统内置烟气流线仪仿真模型算法模块，模拟由矩形截面的风洞构成。在风洞的排风口设有电机和排风扇，当其工作时，排出从吸入口吸入的空气形成气流。将可燃物点燃并置于发烟盒内，其烟气从梳形排烟管中进入风洞测试段，形成可视流线及流线谱。风洞测试段拥有可调节角度的翼型冲角，调节翼型冲角角度，可以改变流场流线。烟气流线最终通过风洞排风口排出实验设备。 通过本仿真实验系统，用户可以模拟烟气从烟囱或其他释放源释放出来的过程，确定烟气释放的速度和方向。此外可根据计算得到的流场数据，绘制烟气的流线，展示烟气在空气中的流动路径和分布情况。实验过程中允许用户调整模拟中的参数，如烟气释放速度、环境条件等，以便观察不同条件下烟气流动的变化。 具体实验操作步骤 1. 点燃卫生香并放入发烟盒，使其产生烟气。 2. 打开仪器风扇，使风洞内的空气流通，导直烟流。 3. 打开日光灯，观察流线形态，调整翼形冲角，使其中一根流线对准零度角，形成驻点，使其速度为零。 4. 改变翼形冲角，观察烟气流线的变化情况。 5. 将冲角调整至15°~20°，观察流线的变化情况。 实验中可以呈现烟气的流动，重点模拟烟气在展板的流动状态，模拟烟气在绕经翼型物体时，烟气在翼型物体上下表面流体状态，翼型冲角可调，能够展示不同冲角下，烟气在翼型上下表面流动的不同状态 8、流线演示实验； 本系统集成流动演示仪仿真模型算法模块，由蓄水箱、水泵、不同边界的流体动显示面、掺气量调节阀等组成。水泵将蓄水箱中带输送到不同边界的显示面，水在半封闭状态下受水泵的驱动自蓄水箱经掺气后流经显示板，形成无数小气泡，小气泡相对水流流动的跟随性达到一致。仪器内日光灯照射到显示板上，使小气泡发出明亮的折射光，在后盖底板衬托下，清楚的显示出小气泡随水流流动的迹象。 系统运用集成在系统中的流体仿真运算模块模拟流经固体边界的水流的状态，流经固体边界的水流当达到一定雷诺数时，由于固体边界的形状大小突然发生变化，在惯性的作用下，就会出现主流与边界分离而产生旋涡的现象。系统提供几种漩涡现象如突然缩小、突然扩大、孔板等。 系统运用集成在系统中的流体仿真运算模块模拟绕流现象。在绕流中有两种阻力作用于物体上：一是摩擦阻力τ，它是由水流的粘滞性而产生；二是形状阻力F，它由物体前后压差形成，如圆柱绕流及圆头方尾闸墩绕流。绕流阻力可表示为：F_D=C_D Aγμ_0^2/2g。 通过系统中的流体仿真运算模块模拟流动演示仪的运行，仿真演示7种流动图谱，分别为：（1）逐渐扩散、逐渐收缩、突然扩大、突然收缩、壁面冲击、直角弯道等平面上的流动图像；（2）文丘里流量计、孔板流量计、圆弧进口管嘴流量计以及壁面冲击、圆弧形弯道等串联流道纵剖面上的流动图像；（3）30°弯头、直角圆弧弯头、直角弯头, 45°弯头以及非自由射流等流段纵剖面上的流动图像；（4）30°弯头、分流、合流、45°弯头、YF 型溢流阀、闸阀及蝶阀等流段纵剖面上的流动图谱；（5）明渠逐渐扩散，单圆柱绕流、多圆柱绕流及直角弯道等流段的流动图像；（6）“双稳放大射流阀”流动原理显示仪。 具体实验操作步骤 1. 将注水管插进每个设备旁侧的加水孔注水，观察前部的水位，到刻度处，不要太多或太少，否则将影响正常演示时的气泡效果。 2. 加水后，将电源接通，水泵上水，光源点亮。等整个设备运行稳定后，就可以清晰的观察流体流经各类边界时所形成的流线所形成的流谱。 实验中可以呈现液体的流动，重点模拟水体流经不同管路中的流动状态，能通过气泡的形式表现出液体流动的快慢，绕柱绕流，附壁效应，能量损失等多种现象。 9、三点弯曲梁等差线及等倾线的测定实验 系统对光弹性仪器的算法模型进行仿真模拟，集成光源、起偏镜、1/4 波片、加力架、检偏镜、视场镜等部分。(1)光源：光弹性实验通常需要使用两种光源，即白光和单色光。本实验中使用的光弹性仪光源由仿真LED灯光源制成，LED灯可发出白、红、绿、青、蓝等多种色光。(2)起偏镜和检偏镜：起偏镜和检偏镜由偏振片制成，靠近光源的偏振片称为起偏镜，起偏镜的作用是把来自光源的自然光变为平面偏振光； 后面的一块偏振片称为检偏镜，用来检验光波通过的情况。(3)1/4 波片：1/4 波片数量也是两块，可以加入光路，也可以移出光路。当在光路中加入波片时，前面靠近起偏镜镜的第一块 1/4 波片的快慢轴分别与起偏镜的透光轴成45°角，因此能够把从起偏镜传来的平面偏振光变为圆偏振光。后面第二块1/4波片的快轴和慢轴分别与第一块1/4波片的快慢和慢轴正交，因此正好能够抵消第一块1/4 波片产生的相位差，将圆偏振光还原为平面偏振光。(4)加载架：加载架用于放置模型，并可以给模型施加外力。加载架通常能够整体作上下及左右移动，以便调整模型在光场中的位置。(5)视场镜：配有摄像头，通过检偏镜的光线，经过摄像头后直接成像在电脑显示器中。 系统提供两种不同偏振轴相交方式，当两偏振镜的偏振轴刚好正交时，光场刚好形成暗场，通常将起偏镜的偏振轴调整为竖直方向，检偏镜的偏振轴为水平方向。当两偏振镜的偏振轴互相平行时； 则光场呈亮场。 系统可模拟双折射材料制成的模型受力情况，则使入射到模型的平面偏振光分解为沿各点主应力方向振动的两列平面偏振光，且其传播速度不同，通过模型后，产生光程差。当光程差为光波波长λ的整数倍时产生消光干涉，模型上呈现暗点，同时满足光程差为同一整数倍波长的诸点，形成黑线，称为等差线。此外，在模型内凡主应力方向与偏振镜轴重合的点，亦形成一条暗黑干涉条纹，称为等倾线。等差线和等倾线是光弹性实验提供的两个必要的资料，据此可根据模型的受力特性计算其应力。 具体实验操作步骤 使用光弹性仪之前，必须检查和调整各镜片的位置，以满足实验的要求。光弹性仪的具体使用步骤如下： 1、观看光弹性仪的各个部分，了解其名称和作用。 2、正交平面偏振光场布置的调整：首先开启白光光源，卸下两块1/4波片，旋转一个偏振片(起偏镜或检偏镜)，使呈现暗场，表示它们的偏振轴互成正交；然后将一个标准试件放在加载架上；同步旋转起偏镜及检偏镜，直到模型是出现正交黑十字形。这表明两个镜片的偏振轴不仅正交，而且一个偏振轴是在水平位置，另一个是在垂直位置，这时两镜片的指示刻度应分别是0°和90°。 3、正交圆偏振光场布置的调整：在调好的正交平面偏振光场布置中，先装入一块1/4波片，将它旋转，使检偏镜后看到的光场最黑，这时表示1/4波片的快、慢轴分别与起偏镜和检偏镜的偏振轴相平行；然后将1/4波片向任意方向转动45°角，再把第二块1/4波片装入，将它旋转，使光场再次最黑。这时两块1/4波片的快慢轴互相正交，四块镜片构成所谓双正交圆偏振光场，此时1/4波片的指示刻度应为45°。 4、分别绘制三点弯曲梁在载荷为260N时，0°、10°、20°、30°、40°时的等倾线。 5、绘制三点弯曲梁在260N载荷时的等差线图。 6、实验结束关闭光源，取下模型，整理有关工具。 实验中可以根据需求配置平面偏振光场以及圆偏振光场，重点模拟梁处于三点弯曲时，在白光下的等倾线与等差线，色彩要清晰可见；模拟梁在单色光下的等倾线与等差线，条纹明暗要清晰可辨。 10、对径受压圆盘实验 系统集成白色光源及单色光源（如钠光源或激光），可根据情况选择不同光源，观测等差线时，首先采用白光光源，此时等差线为彩色，亦称为等色线，具体描绘等差线图时，可切换单色光源如钠光或激光，以提高测量精度。 用户选择载荷F，并且可以逐渐增加载荷，观察圆心附近区域等差线颜色的变化情况，其顺序为黄、红、蓝、绿四种颜色不断循环出现，且随着条纹级数增加而颜色逐渐变淡。反复观察，掌握其变化规律后，卸去载荷，然后按照逐级加载的方式加载。用户确定直径D、模型厚度h，系****中心出现N=1，2，3级条纹时的载荷。 通过仿真实验测得圆心处的等差线条纹级数N，则材料条纹值f为f=8F/πDN，基于以上参数，系统可自动计算出材料条纹值f。 具体实验操作步骤 1、把圆盘光弹试件放在正交圆偏振光场中。 2、开启白色光源，观察载荷为零时，模型是否有残余应力和边缘效应存在，若没有则模型应该是均匀黑暗的。 3、逐渐增加载荷，观察圆心附近区域等差线颜色的变化情况，其顺序为黄、红、蓝、绿四种颜色不断循环出现，且随着条纹级数增加而颜色逐渐变淡。反复观察，掌握其变化规律后，卸去载荷，然后按照逐级加载的方式加载。在圆心附近区域第一次出现绿色时，为1级条纹；待第二次出现绿色时，为2级条纹，依次类推。 4、换成单色光源，重复步骤3，但注意此时的等差线条纹图不再是彩色，而是明暗相间的变化，其变化次序为“暗→明→暗→明”不断的交替出现，每暗一次条纹级数增加一级。 5、****中心出现N=1，2，3级条纹时的载荷。 6、****中心出现N=1，2，3级条纹时，圆盘的等差线图。 7、缓慢卸下载荷，取出试件。 实验中可以根据需求配置圆偏振光场，重点模拟圆盘在对径受压时，在白光下的等差线，色彩要清晰可见；模拟圆盘在单色光下的等差线，条纹明暗要清晰可辨。 11、孔板拉伸实验 系统集成孔板拉伸实验算法模块，用户可设定拉伸试样的几何尺寸（b，d，h），当最大应力不超过光弹性材料比例极限时，应力集中系数定义为：α_K=σ_max/σ_H ，σ_1-σ_2=Nf/h,而此时，因为孔边处 σ=0，所以孔边处最大应力为σ_max=σ_1=Nf/h，而孔中心的横向对称截面所受平均应力为σ_H=F/(b-d)h，因此应力集中系数为α_K=Nf(b-d)/F。用户使用白色光源逐级加载，系统可显示孔边出现1，2，3级条纹时对应的载荷。基于以上算法公式和系统显示载荷，系统可自动计算出应力集中系数。 具体实验操作步骤 1、测定拉伸试样的几何尺寸（b、d、h）； 2、安装试样及调整仪器 先将光弹仪调整为正交圆偏振场，然后安装实验模型。施加20N初载荷，开启白色光源看等差线是否对称，若不对称则重新调整。 3、测定孔边缘的等差线的级数 用白色光光源，逐级加载，仔细观察均匀区和孔边应力集中区的等差级数及整个等差线图案的变化规律。分别记录孔边出现1，2，3级条纹时，对应的载荷。 实验结束，卸除载荷，关闭光源，整理试件。 实验中可以根据需求配置圆偏振光场，重点模拟孔板在受拉伸时，在白光下的等差线，色彩要清晰可见；模拟孔板在单色光下的等差线，条纹明暗要清晰可辨。 12、弹性模量和泊松比测试实验 系统集成了弹性模量和泊松比测试模型仿真模块，采用矩形截面试件，在试件中央截面位置，沿前后两面的轴线方向分别对称地布有一对轴向应变片以测量轴向应变，一对横向应变片以测量横向应变，试件尺寸及布片形式需以三维形式体现，并可放大旋转展示。 系统可测量弹性模量E，采用增量法，分级加载，分别测量在各相同载荷增量作用下，产生的应变增量，并求应变增量的平均值。集成5种组桥方式，组桥方式可由设备模型上桥路选择位置进行设置，并可根据布片形式的不同选择自动输出正确的应变示数，具体5种组桥方式如下： （1）单臂测量：输出值为所选测点应变，即在一定载荷条件下，分别对前、后两枚轴向应变片进行单片测量，并取其平均值。 （2）轴向应变片串联后的单臂测量：输出值为所选测点应变的平均值，将前后两轴向应变片串联后接在同一桥臂上，而邻臂接相同阻值的补偿片才可正常输出。 （3）串联后的半桥测量：输出值为所选测点轴向应变的（1+）倍，将两轴向应变片串联后接AB桥臂，则由于输出应变邻臂相加，对臂相减，其中横向应变片输出值为-倍轴向应变。由于使用半桥接法，故电阻应变仪的读数应变为轴向应变的（1+）倍。 （4）相对两臂测量：输出值为所选测点的应变之和，由于将两轴向应变片分别接在电桥的相对两臂(AB、CD)，两温度补偿片接在另外相对两臂(BC、DA)，故电阻应变仪的读数应变为所选测点的应变之和。 （5）全桥测量：输出值应为接入所有应变片的应变数值之和，此时测量灵敏度比单臂测量时提高2（1+）倍，即输出值为2（1+）倍轴向应变。 系统可以利用试件的横向应变片和轴向应变片进行自由组桥，并可根据上述计算方式输出应变示数。在上述组桥形式下，每级载荷均可输出横向应变和轴向应变，并可随时检验其增长是否符合线性规律。 具体实验操作步骤 1. 开始时展示试件形态、尺寸及布片形式，仪器连接方式以及数据记录表格。 2. 学生使用游标卡尺确定试件尺寸。即在试件标距内，测量三处横截面面积，取其平均值作为试件的横截面面积，此处应有动画引导。 3. 学生根据试件自行设置加载方案，此处应链接数据记录表格进行填写。 4. 根据试件的布片情况和提供的设备条件确定组桥方案并接线，此处应有动画引导。 5. 开机加载前，选好试验机的负荷量程并调零；调整好电阻应变仪，使它们处于平衡状态，此处应有动画引导。 6. 经检查无误后开机加载，进行实验，用慢速逐渐将载荷加至初载荷，记下此时应变仪的初读数，然后缓慢均匀地逐级加载，每增加一级载荷，记录一次纵、横向各点应变片相应的读数应变 ，记录数据的同时，随时检查读数应变增量 是否符合线性变化规律，以判断实验是否正常，此处应有动画引导，加载过程及设备读数分次显示，由动画连接。 7. 实验结束，卸载、关闭电源，拆线整理所用设备，清理实验现场，将所用仪器、设备复原，此处为自动播放动画，每次点击动作一次。 8. 输出实验记录表格，方便学生记录。 13、动态多点应变测量实验 本系统集成了主应力大小和方向测量计算模块，采用薄壁圆筒试件，在试件中央截面位置，沿上下、前后两面的轴线方向分别对称地布有一±45°及0°方向应变花，0°方向沿轴向，试件尺寸及布片形式需以三维形式体现，并可放大旋转展示。内置应变仪及组桥算法如实验12中所示。 主应力测量采用45°直角应变花，应变花上3个应变片的夹角分别为-45°、0°、-45°，沿这三个方向的线应变分别可由主应变和主应力公式内置计算可得。 本系统集成了弯矩测量计算模块，采用相应的组桥方式测量，即可得到A，C两点由弯矩引起的轴向应变。由广义胡克(Hooke)定律，及截面上最大弯曲应力公式，可得到截面的弯矩实验值。 本系统集成了扭矩测量计算模块，当薄壁圆筒受纯扭转时B、D两点45°方向和-45°方向的应变片都是沿主应力方向，且两面内主应力数值相等符号相反。由平面应力状态的广义胡克(Hooke)定律，可得截面扭矩实验值。 具体实验操作步骤 1. 开始时展示试件形态、尺寸及布片形式，仪器连接方式以及数据记录表格。 2. 测量试件尺寸、加力臂的长度和测点距力臂的距离，此处应有动画引导。 3. 将薄壁圆筒上的应变片按不同测试要求接入电阻应变仪，学生可组成不同的测量电桥。并调整好所用仪器设备，此处应有动画引导。 (1) 主应力大小、方向测定：将A、C两点的应变片采用半桥单臂测量(1/4桥测量)。 (2) 测定弯矩M，扭矩T：根据实验要求，自行设计组桥方案。 4. 学生根据试件自行设置加载方案，此处应链接数据记录表格进行填写。 5. 用均匀慢速加载至初载荷，记录各点应变仪的初读数，然后分级等增量加载(分5~6级)，每增加一级载荷，依次记录各点应变片的应变读数，直至最终载荷，此处应有动画引导，加载过程及设备读数分次显示，由动画连接。 6. 完成一项测试后，重新组桥测试，重复步骤3、4，此处应有动画引导，测量一个内容结束之后返回前述界面再次测量。 7. 实验结束，卸载、关闭电源，拆线整理所用设备，清理实验现场，将所用仪器、设备复原，此处为自动播放动画，每次点击动作一次。 8. 输出实验记录表格，方便学生记录。 14、对称超静**构应变测定实验 本系统集成对称超静**构应变测定实验模块，用户可通过加载手轮改变试件受力大小，通过压力传感器的读数可以精确得到所加的压力值。集成应变仪功能，试件承受的应变通过应变片由该设备显示。用户可对应变仪进行操作，取不同的载荷值，同时记录下每次加载后各点的读数应变。 系统建立对称超静**构的几何模型和材料性质，包括支撑和加载条件；可模拟外部加载条件，例如施加力或施加位移，以模拟实际应变测定实验中的加载情况。可模拟应变测量装置，集成前述实验12及13中应变仪组桥功能，试件上应变片布置的位置及方式可自由选择，以测量结构在加载下的应变分布；支持使用数值方法（如有限元法）求解结构的内力、应力及应变分布，并与实验数据进行比较，以验证仿真结果的准确性。 具体实验操作步骤 1. 展示构件形态及尺寸，并可切换支撑方式，此处应有动画引导。 2. 学生在构件上选择测点，贴片，组桥，连接到测试应变仪，此处应有动画引导，并链接数据记录表格进行填写。 3. 在计算机虚拟应变仪上完成各参数配置，测点调平衡，设置加载方案，此处可链接数据记录表格进行填写。 4. 用均匀慢速加载至初载荷，记录各点应变仪的初读数，然后分级等增量加载(分5~6级)，每增加一级载荷，依次记录各点应变片的应变读数，直至最终载荷，此处应有动画引导，加载过程及设备读数分次显示，由动画连接。 5. 实验结束，卸载、关闭电源，拆线整理所用设备，清理实验现场，将所用仪器、设备复原，此处为自动播放动画，每次点击动作一次。 6. 输出实验记录表格，方便学生记录。 15、位移传感器的标定 本系统集成了电涡流传感器标定模型仿真模块，根据电磁感应原理，当传感线圈通以交变电流，系统产生模拟交变磁场，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流，而闭合电流所形成的磁通链又穿过传感器线圈，这样线圈与涡流线圈形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈等效电感，从而导致传感器线圈的阻抗发生变化。 为实现电涡流位移测量，系统集成一个测量电路。这一测量电路(前置器)包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路。根据电涡流传感器的基本原理，将传感器与被测体间的距离变换为传感器的Q值、等效阻抗Z和等效电感L三个参数，用相应的测量电路来测量。 本系统采用的将传感器与被测体间的距离变换成等效阻抗Z，当线圈中通以高频交变电流后，当平面线圈、被测体(涡流片)、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与X距离有关。将阻抗变化经涡流变换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数。将V、X输入系统，系统可自动绘出V-X曲线，指出线性范围，求出灵敏度。 具体实验操作步骤 1、将电涡流传感器安装在测试架上，保证传感器前端与涡流片平行； 2、连接好传感器、前置器与测量仪的导线（注意不要接错）； 3、将测量仪测量模式置于静态，功能选择校准，打开电源开关； 4、调整螺旋测微仪，使涡流片与传感器前端接触，按动调零按钮； 5、旋动测微仪使涡流片离开传感器，每隔一个间隔（0.2mm或0.5mm）记录一个电压值，将V、X值填入表格中。作出V-X曲线，指出线性范围，求出灵敏度。 测量结束，关闭电源，卸下传感器，整理实验台面。 要求：在获得的原始数据后，经过数值筛选、最小二乘法直线拟合、非线性度运算、回程误差等计算处理得出该传感器的各项参数，并绘出图形和给出该传感器是否符合检验标准的判断。 16.动态信号的采集和FFT等各种图谱分析 本系统集成信号采集和处理仿真模型实验模块，可模拟结构在承受动载作用或强迫振动时，结构上各点的应变随时间改变而发生的变化，即动应变。静态应变不随时间变化，而动态应变随时间改变而发生变化，系统集成显示记录仪器，通过此方式进行实时显示和记录。 本系统为简支梁的垂直方向给予了一个按正弦规律变化的周期性动载荷，并选择简支梁上一测点，按半桥接桥，使应变信号通过输入本系统集成的数据采集系统，并且对采集到的数据进行采集分析。 具体实验操作步骤 1、在构件上选择测点，贴片，组桥，连接到测试系统。 2、在计算机虚拟面板上完成各参数配置，测点调平衡 3、选定一个振动频率，通过时间窗口采集动态应变信号，利用FFT功能分析信号频率。 4、改变振动频率，重复步骤3操作。 5、整理实验数据，结束实验。 备注：虚拟采集和分析界面与真是界面一致，有采样频率等基本参数的设置，动态显示，有开始和结束操控，曲线可回放和缩放，可用光标读取数据。 |
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