基于 labVIEW的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)研究含開(kāi)題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述、任務(wù)書(shū)
基于 labVIEW的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)研究含開(kāi)題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述、任務(wù)書(shū),基于,labVIEW的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)研究含開(kāi)題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述、任務(wù)書(shū),labview,材料力學(xué),實(shí)驗(yàn),試驗(yàn),模擬,摹擬,系統(tǒng),研究,鉆研,開(kāi)題,報(bào)告,講演,呈文,文獻(xiàn),綜述,任務(wù)書(shū)
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(lái)實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析。運(yùn)用到材料力學(xué)知識(shí)和一定的測(cè)試技術(shù)，信號(hào)分析的相關(guān)知識(shí)以及關(guān)于labVIEW 的編程知識(shí)。
3．論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)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(mén)傳統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)課程。為學(xué)好這門(mén)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(wèn)題橫亙?cè)诹W(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(wú)法滿足教學(xué)的需求[1]。
為解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外諸多院校開(kāi)始引入虛擬儀器來(lái)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(lái)新興并迅速發(fā)展起來(lái)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(gè)個(gè)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(shí)庫(kù)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(dòng)。它的使用能有效地縮短學(xué)習(xí)時(shí)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(guò) CIA 技術(shù)構(gòu)建一個(gè)極為真實(shí)的實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)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(shí)，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(guò)程，以及及時(shí)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(guò)程。在不限時(shí)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(dòng)性。通過(guò)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)庫(kù)等平臺(tái)獲取大量實(shí)驗(yàn)知識(shí)，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(shì)
在這個(gè)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(shì)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(kāi)發(fā)平臺(tái)[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(tái)，它內(nèi)置了信號(hào)的采集、測(cè)量、分析與顯示數(shù)據(jù)的功能，一些軟件開(kāi)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(cè)控功能的同時(shí)，還保持系統(tǒng)的靈活性，讓使用者可以無(wú)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(lái)專注于需要解決的問(wèn)題，同時(shí)提供了新的功能來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)。使用通道連線這一個(gè)數(shù)據(jù)通信的新功能，只需通過(guò)一條連線即可在
循環(huán)之間傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)需使用隊(duì)列。最新的 labVIEW 增加了對(duì)五種附加工具的支持，在開(kāi)發(fā)和調(diào)試應(yīng)用時(shí)利用操作系統(tǒng)的所有內(nèi)存。與 Linux 和 Eclipse 等開(kāi)源平臺(tái)更高的集成度，可以針對(duì)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(cè)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(cè)量課題和測(cè)量需求?！皼](méi)有測(cè)量就沒(méi)有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)”。虛擬儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
李偉，陳孟詩(shī)等人研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)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(duì)壓桿影響等多種實(shí)驗(yàn)裝置合為一體，實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用組合式杠桿系統(tǒng)傳遞載荷, 對(duì)各分項(xiàng)裝置分別使用螺旋手動(dòng)加載[6]。各裝置間無(wú)需轉(zhuǎn)換相對(duì)獨(dú)立, 通過(guò)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(hào)經(jīng)多通道測(cè)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(tái)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(cè)量?jī)x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(jiǎn)化了十分繁瑣的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作和實(shí)驗(yàn)過(guò)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(huì)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(wú)法滿足工程需求的問(wèn)題?？梢苑謩e對(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(tái)可以完成材料彈性模量 E 和泊松比m的測(cè)量、橫力彎曲和純彎曲下應(yīng)變的測(cè)量，彎扭組合變形下的應(yīng)變的測(cè)量功能。
二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容
1.重點(diǎn)解決的問(wèn)題
用 labVIEW 對(duì)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模擬仿真設(shè)計(jì).
2.擬開(kāi)展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫(xiě)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(kāi)發(fā)環(huán)境，類似于C 和BASIC 開(kāi)發(fā)環(huán)境，但 labVIEW 與其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼行，而 labVIEW 使用圖形化編程語(yǔ)言 G 語(yǔ)言編寫(xiě)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(gè)可完成任何編程任務(wù)的龐大的函數(shù)庫(kù)。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(chǔ)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(gè)虛擬系統(tǒng)可以代替實(shí)際力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)，可以是使用者在不接觸實(shí)驗(yàn)臺(tái)的情況下，仍能對(duì)實(shí)驗(yàn)有深刻認(rèn)識(shí)的重要保證，它可以對(duì)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(cè)定。
3.梁的純彎曲正應(yīng)力的測(cè)定。
2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果存儲(chǔ)在虛擬儀器的系統(tǒng)中，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)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(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括使用公式對(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)的總體過(guò)程生成一份書(shū)面的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括將實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ)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(duì)于拉伸實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，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(duì)于彈性模量 E 及泊松比m的測(cè)定和梁的純彎曲正應(yīng)力的測(cè)定這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，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(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)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(kāi)
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(tái)的工作視頻，一般為 rmvb 或 avi 文件。以及對(duì)彈性模量 E 及泊松比m的測(cè)定和梁的純彎曲正應(yīng)力的測(cè)定兩個(gè)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(gè)方面：
1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)的目的是說(shuō)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(shí)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(huì)被用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)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(gè)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(shí)以文字和圖片來(lái)展示，通過(guò)使用實(shí)驗(yàn)原理部分，可以將實(shí)驗(yàn)的總體過(guò)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(duì)原理進(jìn)行補(bǔ)充，可以使用者更加簡(jiǎn)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(shū)[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(guò)程[11]。在不限時(shí)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(dòng)性。通過(guò)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)等平臺(tái)獲取實(shí)驗(yàn)知識(shí)，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(kāi)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(guò) labVIEW 的圖形化編程進(jìn)行對(duì)實(shí)際力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(gè)部分。
1.前面板：前面板是圖形用戶界面，該界面是用來(lái)模擬真實(shí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(pán)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(gè)前面板都有一個(gè)程序框圖與之對(duì)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(duì)VI 編程就是對(duì)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(guò)文件 I/O 操作，創(chuàng)建一個(gè)文件用于存放實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)內(nèi)容，給出存儲(chǔ)路徑，這時(shí) labVIEW 將返回一個(gè)引用句柄]。使用文件 I/O 函數(shù)對(duì)已經(jīng)打開(kāi)的文件進(jìn)行，釋放寫(xiě)入操作。關(guān)閉文件后引用句柄將被釋放。通過(guò)這種方式，就將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)內(nèi)容寫(xiě)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(guò)自定義控件來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻的播放，然后通過(guò)對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)播放存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中常見(jiàn)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(shí)需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來(lái)建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?，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(xiě)文本文件、數(shù)據(jù)報(bào)表文件、二進(jìn)制文件和測(cè)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(gè)階段[14]。第一階段，通過(guò)表單形式顯示在主程序界面，方便用戶直觀查看測(cè)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(shí)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(shí)效應(yīng)時(shí)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(zhǎng)率計(jì)算
試樣拉斷后， 標(biāo)距內(nèi)的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比稱為斷后伸長(zhǎng)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(cè)定
n
計(jì)算每一個(gè)電阻應(yīng)變片各遍讀數(shù)的算術(shù)平均值： D = ? Dei / n 。
1
Dey
Dex
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(gè)測(cè)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 / 2I z 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(dòng)報(bào)表功能，而本 Excel 身就是一個(gè)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(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn) Excel 報(bào)表生成。首先初始化報(bào)表, 包括寫(xiě)入標(biāo)題、說(shuō)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(xiě)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(guó)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?jī)?nèi)容及技術(shù)路線
第 4 周：撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告，準(zhǔn)備開(kāi)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(jiǎn)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(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
第 13 周：撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
第 14 周：撰寫(xiě)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.
[2]、龍連春, 劉海宏, 楊慶生. 材料力學(xué)概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2013(8):86-89.
[3]、吳宏, 關(guān)麗媛. 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)型課件教學(xué)系統(tǒng)的研究[J]. 技術(shù)經(jīng)濟(jì), 1997 (3):30-32.
[4]、李斌, 閆琴. 材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)西部科技, 2011(12):36-3 7.
[5]、楊忠仁, 饒程，鄒建，彭珍蓮. 基于 labVIEW 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào), 2004,27(2):32-35.
[6]、李偉, 陳孟詩(shī)，鄒遠(yuǎn)，黃學(xué)進(jìn)，李晉川，潘巍. 多功能材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2006,5(1):29-32.
[7]、付昌云, 孫僮，李志全，楊國(guó)印，李皓瑩，王相云，白洋亮. 多功能材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的三維仿真設(shè)計(jì)[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào), 2016,34(2):196-199.
[8]、周塔, 馬劍, 汪天寶. 材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用, 2016(10).
[9]、莫曉東, 鐘根全, MoXiao-dong,等. 淺談材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與發(fā)展[J]. 學(xué)理論, 2009(18):217-218.
[10]、Amrita Agarwal, Ramgolal Urpaluri, Anilvorma,等. labVIEW based
e-learning portal for virtual mass transfer operations laboratory[J]. CSIT, 2013,1(1):75-90.
[11]、Yao Yonggang, Yao Bowen, Pan Zong. Virtual instrament system for teaching lab[J]. Wuhan Univercity Journal of natural sciences , 1998,3(3):319-322.
[12]、周振平, 吳宏, 葉海峰. 計(jì)算機(jī)模擬材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 工程與實(shí)驗(yàn), 1994(5):81-83.
[13]、程建鋼, 朱志輝, 張國(guó)平,等. 基于 Web 的《材料力學(xué)》仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[C]
// 全球華人計(jì)算機(jī)教育應(yīng)用大會(huì). 2003.
[14]、王紅杰. 材料力學(xué)性能檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京航空航天大學(xué), 2005.
[15]、王琳. 虛擬實(shí)驗(yàn)在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 Virtual Experiments in Mechani cal Experiments 云南民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,21(4):309-312[J]. 云南民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2012, 21(4).
[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
系統(tǒng)主模塊
實(shí)驗(yàn)一
實(shí)驗(yàn)二
實(shí)驗(yàn)三
實(shí)驗(yàn)?zāi)康?
試樣
實(shí)驗(yàn)?zāi)M
實(shí)驗(yàn)原理
結(jié)果處理
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(lái)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(huì)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(guò)程。
關(guān)鍵詞：labVIEW,材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬,測(cè)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(guò)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(guò)程[2]。這種對(duì)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(shí)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(guò)軟件編程或采用現(xiàn)有分析軟件，實(shí)時(shí)、直接的對(duì)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(jià)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(shí)間[5]。
1.模擬系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖
該系統(tǒng)將三個(gè)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(shū)更加簡(jiǎn)單易懂。并且可以對(duì)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(huì)自動(dòng)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、生成曲線圖和圖表，并自動(dòng)打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告。模擬系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖見(jiàn)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(guò)模擬出來(lái)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境有一個(gè)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(jué)。然后在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)界面上學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，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(guò)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(guò)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(duì)實(shí)驗(yàn)原理的補(bǔ)充[5]。老師通過(guò)編寫(xiě)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)流程。實(shí)驗(yàn)步驟具體到每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備個(gè)別操作，是一份總體的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，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(guò)實(shí)驗(yàn)步驟后，開(kāi)始認(rèn)識(shí)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(guò)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(kāi)始后，模擬系統(tǒng)開(kāi)始提取數(shù)據(jù)并對(duì)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(duì)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(guò)軟件功能來(lái)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(gè)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(cè)試結(jié)果的顯示等，通過(guò)軟硬件的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(hào)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(guò)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(méi)有普通實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(yǔ)言和平臺(tái)，以在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化的軟面板來(lái)代替常規(guī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的面板，軟鍵盤(pán)上有與實(shí)際儀器相似的按鈕、開(kāi)關(guān)、指示燈及其它控制部件。在操作時(shí)，學(xué)習(xí)者通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)操作軟面板，來(lái)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(kù)
數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系的所有對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。韓錫斌等人通過(guò)設(shè)計(jì)兩個(gè) ActiveX 控件，使用 Visual C++和
CDaoRecordest 類編寫(xiě)的，使用 ActiveX 控件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)指定數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)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(chǎng)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(guò) VB 封裝 ANSYS 來(lái)實(shí)現(xiàn)有限元分析，為了使學(xué)生在使用時(shí)無(wú)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(guò) ActionScript 語(yǔ)句，嵌入實(shí)驗(yàn)過(guò)程視頻，并使界面有了交互功能[14]。
而王紅杰等人通過(guò) VRML，即虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)造語(yǔ)言，其作用就是虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，同時(shí)也是一種三維造型和渲染的圖形描述性語(yǔ)言。VRML 的目的主要是為了在網(wǎng)頁(yè)中實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫(huà)效果以及基于三維對(duì)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(dòng)生成的功能，通過(guò)ANSYS后處理自動(dòng)生成[16]。
總結(jié)
面對(duì)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(wú)法滿足教學(xué)
的需求，很多專業(yè)特別是理工類專業(yè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際動(dòng)手能力的要求特別高，雖然當(dāng)前政府部門(mén)加大了對(duì)學(xué)校的教育和科研經(jīng)費(fèi)投入，可是面對(duì)眾多需要實(shí)驗(yàn)的同學(xué)，學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)論從數(shù)量上還是從質(zhì)量上都已經(jīng)無(wú)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(yǔ)言的發(fā)展，產(chǎn)生了虛擬儀器。開(kāi)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(shí)間和空間上得到有效擴(kuò)展。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]、Yao Yonggang, Yao Bowen, Pan Zong. Virtual instrament system for teaching lab[J]. Wuhan Univercity Journal of natural sciences , 1998,3(3):319-322.
[2]、龍連春, 劉海宏, 楊慶生. 材料力學(xué)概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2013(8):86-89.
[3]、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.
[4]、付昌云, 孫僮，李志全，楊國(guó)印，李皓瑩，王相云，白洋亮. 多功能材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的三維仿真設(shè)計(jì)[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào), 2016,34(2):196-199.
[5]、程建鋼, 朱志輝, 張國(guó)平,等. 基于 Web 的《材料力學(xué)》仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[C]
// 全球華人計(jì)算機(jī)教育應(yīng)用大會(huì). 2003.
[6]、莫曉東, 鐘根全, MoXiao-dong,等. 淺談材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與發(fā)展[J]. 學(xué)理論, 2009(18):217-218.
[7]、Amrita Agarwal, Ramgolal Urpaluri, Anilvorma,等. labVIEW based
e-learning portal for virtual mass transfer operations laboratory[J]. CSIT, 2013,1(1):75-90.
[8]、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.
[9]、周振平, 吳宏, 葉海峰. 計(jì)算機(jī)模擬材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 工程與實(shí)驗(yàn), 1994(5):81-83.
[10]、周塔, 馬劍, 汪天寶. 材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用, 2016(10).
[11]、李斌, 閆琴. 材料力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)西部科技, 2011(12):36- 37.
[12]、楊忠仁, 饒程，鄒建，彭珍蓮. 基于 labVIEW 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào), 2004,27(2):32-35.
[13]、吳宏, 關(guān)麗媛. 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)型課件教學(xué)系統(tǒng)的研究[J]. 技術(shù)經(jīng)濟(jì), 1997(3): 30-32.
[14]、王琳. 虛擬實(shí)驗(yàn)在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 Virtual Experiments in Mechani cal Experiments 云南民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,21(4):309-312[J]. 云南民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2012, 21(4).
[15]、王紅杰. 材料力學(xué)性能檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京航空航天大學(xué), 2005.
[16]、李偉, 陳孟詩(shī)，鄒遠(yuǎn)，黃學(xué)進(jìn)，李晉川，潘巍. 多功能材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2006,5(1):29-32.
收藏