基于 labVIEW的材料力学实验模拟系统研究含开题报告及文献综述、任务书
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基于LabVIEW的材料力学实验模拟系统研究摘 要材料力学是工科院校机械类和近机械类专业的专业基础课,材料力学实验该课程的重要组成部分.在实际中需要先对材料进行力学性能指标测定,只有符合力学技术指标的材料才能使用于工程上,这就要求学生必须掌握一定的力学实验检测方法和技能。然而购买实验设备要耗费一笔巨款,每次实验也要损耗许多材料,因此无法满足教学的需求。这是实验教学的最大阻碍。和计算机技术相结合是测试仪器发展的主流,由此产生了虚拟仪器技术。解决问题的最好方法是利用虚拟仪器模拟实验。现基于上述理由,我们用LabVIEW开发了力学实验的模拟系统。本文研究的主要内容有如下几个方面:1、完成了低碳钢轴向拉伸实验的模拟,通过子程序实现了实验目的、实验器材、实验步骤的实验理论性指导。演示了低碳钢试件拉断过程的视频和拉伸曲线生成过程的视频,并通过实验数据生成了拉伸实验的曲线图,并对曲线进行了三次样条插值处理,从曲线图中可以通过光标自动加载四个极限应力值,计算伸长率和收缩率,最终利用实验数据和拉伸曲线图自动生成拉伸实验报告。2、完成了弹性模量与泊松比的测定实验的实验模拟,其中利用实验指导书指导目的、仪器和过程讲解实验。整体通过视频演示实验的试件安装及加载载荷的全部过程,利用xy图功能,通过数据生成了弹性模量与泊松比的测定实验的曲线图,最后计算出弹性模量和泊松比,并自动将其填入报表。3、模拟了梁的纯弯曲正应力的测定实验,在模拟系统中,通过实验目的、仪器、实验过程来指导实验。通过视频嵌入,展示了梁的纯弯曲正应力的测定实验的实验过程,同时,为了便于了解实验过程中数据的变化制作了曲线图,通过数据的处理,进行数据整理和计算,并利用报表打印数据和图像。关键字:虚拟仪器 ;LabVIEW ;材料力学IAbstractMechanics of materials is a professional basic course in Colleges of engineering machinery and in mechanical engineering, an important part of material mechanics test of the course. In the actual need of material mechanical properties were determined, and only with the mechanical technical indexes of the material can be used in engineering, which requires students to master the mechanical test and detection method certain skills. However, the purchase of experimental equipment costs a great deal of money, and each experiment consumes a lot of material, so it can not meet the needs of teaching. This is the biggest obstacle to experimental teaching. The combination of computer technology and computer technology is the mainstream of the development of testing instruments, which results in virtual instrument technology. The best way to solve the problem is to use virtual instruments to simulate experiments. The main contents of this paper are as follows:1. The simulation of the axial tensile test of low carbon steel has been completed. The experimental purpose, the experimental equipment and the experimental steps have been proved by the subroutine. Demonstration of low carbon steel test process and tensile curve generated video video breaking process, and the curve of tensile test by experimental data, and the curves of three spline interpolation, from the graph can be automatically loaded by the cursor four limit stress value calculation of elongation and shrinkage. The automatic generation of tensile test and tensile curves of the experimental data report.2. The experimental simulation of elastic modulus and Poissons ratio has been completed. The experiment guides the purpose, the instrument and the process to explain the experiment. The whole process all through the test installation and load the video demonstration experiment, use the XY function, the curve of experimental determination of elastic modulus and Poisson generated by data, and finally calculate the elastic modulus and Poissons ratio, and automatically fill in the report.3. The experiment of measuring the pure bending normal stress of the beam is simulated. In the simulation system, the experiment is conducted through the purpose, the instrument and the experiment process. Through video embedding, shows the experimental process, experiment of pure bending normal stress in the beam at the same time, in order to facilitate the understanding of experimental data changes in the process of production the curve through the data processing, data collation and calculation, and the use of print data and image. Key words: Virtual Instruments ;LabVIEW ;Material mechanics目 录摘 要IAbstractII1 绪论- 1 -1.1 选题的理论意义和应用价值- 1 -1.2 模拟实验系统研究概况和发展趋势- 1 -1.3 虚拟仪器的及LabVIEW- 2 -1.4 本文主要内容- 3 -2 拉伸模拟实验- 4 -2.1 总体设计- 4 -2.2 主控界面实现- 5 -2.3 拉伸实验指导- 6 -2.4 拉伸实验视频- 8 -2.5 拉伸实验曲线图- 9 -2.6 拉伸实验数据处理- 10 -2.7 报表生成实现- 11 -3 弹性模量与泊松比的测定模拟实验- 13 -3.1 总体设计- 13 -3.2 主控界面实现- 14 -3.3 弹性模量和泊松比测定实验指导- 15 -3.4 弹性模量和泊松比测定实验视频- 17 -3.5 弹性模量与泊松比测定曲线图- 18 -3.6 弹性模量与泊松比的测定数据处理- 19 -3.7 报表生成实现- 20 -4 梁的纯弯曲正应力模拟实验- 22 -4.1 总体设计- 22 -4.2 主控界面实现- 23 -4.3 梁的纯弯曲正应力实验指导- 24 -4.4 梁的纯弯曲正应力实验视频- 26 -4.5 梁的纯弯曲正应力实验曲线图- 27 -4.6 梁的纯弯曲正应力实验数据处理- 29 -4.7 报表生成实现- 30 -结 论- 32 -参考文献- 33 -附录A 外文资料译文- 35 -附录B 外文资料原文- 41 -致 谢- 48 -IV基于LabVIEW的材料力学实验模拟系统研究1 绪论1.1 选题的理论意义和应用价值材料力学是研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度和稳定性以及导致各种材料破坏的极限。一般是工科学生们的必修课,是一门常见的专业基础课。实际操作能力是理工科学习要注意的重点,因此实验的完成质量是学习的关键。但是现在学生的数量大量增加。导致了大量高校缺少必要的硬件设施,教师数量也大多无法保证教学质量。购买实验设备要耗费一笔巨款,每次实验也要损耗许多材料,因此无法满足教学的需求。这是实验教学的最大阻碍。为解决这一问题,国内外诸多院校开始引入虚拟仪器来进行实验教学。使学生有身临其境的感觉。通过准备好的实验基本知识,以图片及文字的形式,包括目的、材料、原理、过程等,使使用者快速的了解实验的操作方法。这样,使用者可以有条理的,迅速的操作实验。为了激发学生兴趣,系统无需学生在特定的时间、特定的地点学习。可以通过随时上网查阅数据库等平台进行实验指导,便于学生的理解操作,极大地提高了学习效率。因为在虚拟仪器中最常见也是最常用的是LabVIEW,因此本次设计使用LabVIEW编程。1.2 模拟实验系统研究概况和发展趋势如果不利用计算机和网络等技术进行传统产业的改造,就会被这个技术发展日新月异的年代所抛弃。现代计算机技术和仪器技术联系在一起就产生了虚拟仪器。而在虚拟仪器中,LabVIEW是最强大的图形化编程开发平台。无缝地集成一整套方案不再是什么难题。LabVIEW 软件为使用者提供了解决问题所需要的全部工具,简化开发和使用通道连线是最新的功能,在循环间传输数据只需通过一条连线即可,不再使用队列。最新的LabVIEW 格外上线了五种附加工具,因为利用操作系统的所有内存,所以在开发和调试应用时更加快捷。虚拟仪器具有灵活与经济的优点,拥有良好的技术性能十分利于组成和改变仪器的功能,更高更新的测量课题和测量需求的提出,使得虚拟仪器成了发展科学技术和深化科学研究的突破口。科学技术的各个领域都会大量使用虚拟仪器。李伟,陈孟诗等人为本科生实验系统在材料力学的研究实验中,矩形截面钢梁的变形,叠层梁材料的变形拉伸变形,薄壁圆筒的扭转变形,弯曲和扭转变形和压杆的稳定性,实验装置的边界条件和压杆组合成一体,使用组合式杠杆系统通过负载,子装置用于手动装载螺丝。设备之间的转换相对独立,通过改变不同的测试件,扩展其实验功能,使用起来方便。实验系统中的负载,位移和应变信号是多通道测试系统,经过放大,模数转换,由计算机处理。通过材料力学多功能测试台上的负载传感器和应变仪,通过多通道测量仪器获取数据,将控制计算机从RS232通讯传输到PC端软件5。具有实验设备紧凑,操作方便,大大简化了非常繁琐的实验准备工作和实验过程中安装的试件。付昌云,孙僮等人研究的材料实验机不仅满足了社会主流的实验机以拉伸、压缩实验为主并且可以进行拉力,扭转,冲击实验的需求。并且解决了随着新材料不断应用于实际工程,主要完成低碳钢和铸铁轴向拉伸和压缩实验的实验机器已经无法满足项目的需要。可以分别确定弯曲部件和弯曲部件的材质和尺寸,并确定极限载荷。钢板的拉伸实验,弯曲实验和弯曲实验主要由UG设计,得到试样的极限载荷。在配备相应的应力和应变计后,可以获得弹性模量和泊松比,并获得弯曲应力公式以获得弯曲和扭转部分的应力。使实验台可以完成材料弹性模量和泊松比测量,弯曲力和弯曲在纯弯曲测量下,弯曲和弯曲变形下的应变测量功能6。1.3 虚拟仪器的及LabVIEW 将计算机技术和仪器技术有机结合后的革新性产物就是虚拟仪器(Virtual Instrumentation)系统。它利用已有的计算机,和一些专用的硬件(包括数据采集卡、PXI仪器、GPIB卡、VXI仪器、PLC、图像集成卡、运动控制卡等),在传统仪器的诸多方面有了极大的突破,使用户在维护、扩展、更新、升级等方面有更好的体验。1、LabVIEW简介LabVIEW是一种实用的工具,用于开发虚拟仪器,其外观和操作和真实仪器非常相似,因此实验系统模拟通过LabVIEW的图形化编程进行对实际力学实验台的仿真。LabVIEW又称VI,是一种虚拟仪器,其编程界面包括前面板和程序框图两个部分。 此外,它可以对输入的数据进行测量分析,还可以采集信号,采集数据到仪器控制的显示,从低端插件数据采集卡的图像采集到运动控制等诸多功能, 高端成熟信号调理系统模块数据采集工具,可以显示包括二维、三维的图像。 LabVIEW有很多功能非常实用,无论是编程还是使用都很方便。子VI为完成一个复杂的任务提供了可能。 普通的VI虽然不是只能完成一些简单的功能,但是却需要大量的编程空间和数不清的接线,不利于完成复杂编程3。我们可以把大任务分解成诸多小任务,完成编程后设为子程序。最后封装在一起完成复杂任务。并且子VI的图标可以自己画,调用时简单明了,不会错误引用。LabVIEW支持各种高级测试总线,如VXI / PXI / USB / IEEE1394,VISA,SCPI(编程仪器的标准命令),IVI,DataSocket等虚拟仪器软件标准,LabVIEW本身已经成为一种图形化编程语言的行业标准。2、LabVIEW特点 1)直观、易学易用与Visual C +,Visual Basic等计算机编程语言相比,LabVIEW的图形编程工具有一个重要的区别:基本不使用代码行,而是使用G编程程序,这是一种图形化编程语言, 程序代码被框图取缔。 学时时间相对较短,可以很快应用实践,对于非软件方面的从业人员的学习和使用极其简单4。2)通用编程系统实验视图的功能不受图形编程的限制,其特点与编程系统相同。LabVIEW与一个大型函数库相连,可以完成全部编程任务。 该库可以控制串口,GPIB,有对数据进行采集、分析、显示、存储等一系列数据操作的能力。LabVIEW可以进行程序单步执行,这需要设置断点,并能用动画显示数据及其结果,易于调试程序,这和传统的程序调试方法相同。 为了及时的观察运行中的数据和其规律,LabVIEW可以进行动态地连续连续地跟踪运行,与其他编程相比更加方便高效。 3)模块化 LabVIEW还具有模块化功能。LabVIEW中的以小型模块为基本节点,可以直接使用。另外,LabVIEW拥有大量的工具包,可以直接使用这些工具包与其他模块互联。 1.4 本文主要内容本系统通过LabVIEW实现,系统同时封装了三个材料力学实验的全部内容,包括拉伸实验、弹性模量与泊松比的测定实验梁的纯弯曲正应力的测定实验,足以满足材料力学实验教学的全部要求。在模拟系统中,通过读取文档并显示的功能为学生制作了一份文字形式的实验指导书,实验目的、所需仪器、实验具体过程一个不少7。同时插入实验台与试件的图片,使同学对其构造及参数进行了解。又通过视频嵌入,为学生展示一个实验操作的全部过程,使学生全面具体的了解在实验室怎么做的。与此同时,利用xy图功能,通过预先存储的数据生成了实验的曲线图,便于了解实验过程中数据的变化,最后通过数据的处理,计算实验最终需求的物理量,从而完成整个实验。最后利用报表生成工具将这一切汇总起来,生成一份报表,供学生课后复习8。2 拉伸模拟实验2.1 总体设计1、设计目标为了让使用者仿佛在真正的进行实验,我们是用LabVIEW建立了非常写实的实验模拟系统。通过准备好的实验基本知识,以图片及文字的形式,包括目的、材料、原理、过程等,使使用者快速的了解实验的操作方法。这样,使用者可以有条理的,迅速的操作实验。为了激发学生兴趣,系统无需学生在特定的时间、特定的地点学习。可以通过随时上网查阅数据库等平台进行实验指导,便于学生的理解操作,极大地提高了学习效率9。2、总体框架设计 (1)软件模块软件模块主要是LabVIEW组成的。LabVIEW是一种类似于C和BASIC开发环境,但LabVIEW使用图形化编程语言G语言编写程序,产生的程序是文本而不是框图10。LabVIEW像C或BASIC有一个可完成任何编程任务的庞大的函数库,也是通用的编程系统。本次实验模拟中用到的软件模块包括五部分:实验模拟模块、数据存储模块、数据处理模块、实验报告打印模块、有限元仿真模块、视频嵌入模块。 1)实验模拟模块实验模拟模块是实验中最重要的部分,是一个虚拟系统可以代替实际力学实验台的基础,可以是使用者在不接触实验台的情况下,仍能对实验有深刻认识的重要保证,用它可以对拉伸实验进行模拟。2)数据存储模块将实验数据及实验结果存储在虚拟仪器的系统中,在进行实验时进行调用,用于输出实验结果和数据处理模块处理。3)数据处理模块对数据存储模块传输过来的数据进行处理,包括使用公式对一些必要数据的计算,以及应用一些数据生成曲线图或表格。4)实验报告打印模块对实验的总体过程生成一份书面的实验报告,包括将实验存储模块内的实验数据和数据处理模块处理好的数据以及实验目的、实验设备、实验原理、实验步骤等一系列元素,便于老师检查实验和学生课后更加系统的学习11。5)视频嵌入模块将实验过程的完整视频存入LabVIEW中,展示在人机交互界面。可以随使用者的意愿自由进行启停。其中包括拉伸实验实验台的工作视频一般为avi文件。(2) 实验内容实验内容包括以下几个方面:1)实验目的:实验的目的是说明该实验在材料力学教学中的意义,主要为明确学习者在使用该系统学习时的学习目的,它的表达使用文字:2)实验设备:实验设备中包括试件在内的全部将要使用到的工具:电子万能实验机和游标卡尺以及钢尺,使使用者可以快速上手12;3)实验步骤:实验步骤是使用者在了解实验原理后对原理进行补充,可以使用者更加简单的使用本实验模拟系统,并能加快学习者的学习速度,是一份总体操作的指导书13。其具体内容为测量试件的参数,然后根据试件的种类和具体参数进行预估。安装试件后开始进行实验。2.2 主控界面实现因为需要模拟的实验有三个,并且要实验集成到一个程序中,所以需要在打开一个新的VI后,创建一个选项卡控件14。将控件设置为三个选项卡选项,注意将选项卡设为输入控件,否则选项卡将在运行时不能单击切换。在此之后将所需要的控件安放在选项卡中,包括打开显示实验目的、实验器材、实验过程的按钮控件,实验台和试件的图片,仿真实验的模拟或者实验视频,x-y图,数据显示和输入控件,生成报表的按钮,调整它们的位置和外形时使主控界面符合使用习惯和保证美观,图2.1则完美的实现了这一点。图2.1 拉伸实验控制面板图2.3 拉伸实验指导同低碳钢相类似的具有明显屈服现象的材料,应测定其屈服强度。在屈服阶段,若载荷是恒定的,则此时的应力成为屈服强度。上屈服强度则是试样发生屈服而力首次下降前的最高应力,下屈服强度则是屈服期间不计初始瞬时效应时的最小应力。屈服强度、上屈服强度、下屈服强度分别按式2.1、2.2、2.3计算。 (2.1) (2.2) (2.3)屈服阶段过后,要使试样继续变形,就必须增加载荷,此时进入强化阶段。试样拉至断裂,从拉伸图上确定实验过程中的最大拉力值与原始横截面值之比称为抗拉强度。 (2.4)在软件方面,具体的实现过程为:打开一个新的VI作为子程序,弹出两个新的界面,在界面之一的前面板中单击鼠标右键,弹出控制选板,在控制选板中选择文本显示控件,在子选板中选择字符串控件。最后在前面板生成的实验指导如下图2.2-2.4所示。图2.2 实验目的图图2.3 实验仪器图图2.4 实验过程图首先插入配置文件路径,用于保存生成的文本文件,选择保存了实验指导内容TXT文件路径之后将其转换为常量,保证每次打开时不必重新选择文件,并且打开的不会是错误的文件,放置1个字符串输入控件。然后打开VI程序框图,放置如下函数:1)写入文本文件用以读取文件内容在文件显示控件上显示;2)关闭文件用以停止调用文件15,最终将各个控件和函数的接线端连接起来,并在写入文本文件的函数上置常数-1,这样可以读取TXT文件的全部数据。将函数和控件整体用while循环框起来,自定义设置VI属性事主程序调用时可以弹出。图2.5展示了具体的函数、控件以及连线。图2.5 拉伸实验实验指导程序图将子程序插入到主程序的方式如图2.6展示,使用条件循环,设置为在单击按钮控件时将文本显示的子程序弹出,调用显示控件的“值”属性节点,并将它设为常量16。图2.6 拉伸实验子程序图2.4 拉伸实验视频首先要安装视频插件,在安装LabVIEW时是不会同时安装本插件的,可到微软官方网站下载。在准备工作全部完成后导入“ActiveX”控件,像图2.7展示的那样,在LabVIEW的前面板中创建一个“ActiveXContainer”容器17,插入视频播放控件,与四个布尔控件。图2.7 拉伸实验视频演示图然后切换到程序界面添加调用节点,将“Aplayer-ActiveX”输出连接至调用节点,选择“Open”;之后在前面板添加路径选择好视频文件后将其转换为常量,保证每次打开时不必重新选择文件,并且打开的不会是错误的文件,程序框图添加路径一定要转换为字符串才行,否则将不能正常的为控件连线和正确的读取视频文件。设置在前面板插入的四个个布尔控件(开始,停止,播放,暂停)。将开始控件连接在条件语句上控制视频插件的运行,再使用事件语句控制播放、停止和暂停控件在被单击后控制视频的播放、停止和暂停,在事件语句中插入调用节点,播放置“play”,停止置“close”,暂停置“pause”。具体设置连线及循环按照图2.8完成。图2.8 拉伸实验视频演示程序图2.5 拉伸实验曲线图预先将实验过程中产生的数据存入TXT文档中,将文档内的数据划分为两列,x坐标和y坐标分别放在这两列,两列之间用“Tab”键隔开。在前面板插入x-y图,如图2.9所示,正确设置x,y轴所代表的数据x轴为变形,y轴是载荷。图2.9 拉伸实验曲线图 使用读取表格文件这一函数来进行TXT文档生成xy图。在“读取电子表格文件”控件右边的读取文件路径处创建输入控件,选择好读取的文件的路径,正确连接端口,并将文件路径转换为常量,使得每次打开时不必重新选取,也不会打开错误文件。将数据转换二维数组:利用函数分别将第一列和第二列数据分离出来。文件读取及数据转换到生成xy图的函数及连线如图2.10。 图2.10 拉伸实验曲线图程序图2.6 拉伸实验数据处理为了使数据读取更加精准,并且增加实验模拟系统的互动性和可操作性,在拉伸试验模拟的曲线图上我们要进行插值和在图上读出数据,因此我们需要用到三次样条插值。1、理论: 三次样条插值Cubic Spline Interpolation(简称Spline插值)是通过一系列形值点的一条光滑曲线,数学上通过求解三弯矩方程组得出曲线函数组的过程。早期工程师制图时,把富有弹性的细长木条(所谓样条)用压铁固定在样点上,在其他地方让它自由弯曲,然后沿木条画下曲线,称为样条曲线。2、实现:运用样条插值和样条内插。样条插值返回x值的样条插值,给定(xi, yi)和通过样条插值VI得到的二阶导数插值。样条内插返回长度为n的内插数组,包含样条插值函数g(x)在点xi处的二阶导数,i = 0, 1, , n1。两者的方法选择均为2,保证样条在数据点上三次插值多项式的一阶和二阶导数也是连续的。给定用制表符分割的值,x处的值为yi = f(xi),i = 0, 1, , n - 1。VI通过样条内插(逐点)VI获得作为二阶导数的内插。此类点由采样长度指定的输入数据点组成,n为采样点的总数。全部的极限值均由曲线图直接读取。试样拉断后,则要计算伸长率和收缩率,断后试件的长度和直径由操作者测量后输入。伸长率由公式 计算,收缩率由公式来计算。图2.11是最后的计算结果。图2.11 拉伸实验数据处理图强度值读取的是曲线图的y轴,就用xy图创建“光标”的“游标y坐标”的属性节点来完成,将该属性节点连接在数值显示控件上,并创建条件语句,则可以在操作后加载强度数值。拉断后试件的长度和直径由操作者测量后输入,将数值输入控件与正确的算术符号及常量相连,计算出伸长率和收缩率后由显示控件显示在前面板上。计算方式和数据输入及属性节点如图2.12。图2.12 拉伸实验数据处理程序图2.7 报表生成实现报表是实验的最后一步,整体的展示整个实验的全部数据和实验过程中数据的变化,其中包括屈服极限、上屈服极限,使用者输入的试件长度及直径,由此计算收缩率和伸长率,以及一份xy图。图2.13为我们展示了一份完整报表。图2.13 拉伸实验报表图首先创建一份模板文件,在正确的位置输入文字,用以构建报表。再为需要输入数字以及存放xy图的单元格命名,便于插入数字和曲线图。将这份文件保存为模板。选择其中的制表控件,正确设置控件18。分别创建数据的“值”属性节点和xy图的“导出图像”调用节点。将这些节点按顺序与报表控件相连,再创建条件语句,即可在运行后生成报表。报表生成工具及“值”属性链接如下图2.14。图2.14 拉伸实验报表程序图3 弹性模量与泊松比的测定模拟实验3.1 总体设计1、设计目标课件的设计主要以LabVIEW作为开发平台,为了使该课件界面逼真、便于操作,也同时使用了其他一些设计软件,如Photoshop等。为了让使用者仿佛在真正的进行弹性模量实验,通过准备好的实验基本知识,以图片及文字的形式,包括目的、材料、原理、过程等,使使用者快速的了解实验的操作方法。这样,使用者可以有条理的,迅速的操作实验。2、总体框架设计(1)软件模块 软件模块主要是LabVIEW组成的。本次实验模拟中用到的软件模块包括五部分:实验模拟模块、数据存储模块、数据处理模块、实验报告打印模块、有限元仿真模块、视频嵌入模块。1)实验模拟模块 实验模拟模块是实验中最重要的部分,是一个虚拟系统可以代替实际力学实验台的基础,可以是使用者在不接触实验台的情况下,仍能对实验有深刻认识的重要保证,它可以对弹性模量E及泊松比的测定实验进行模拟。2)数据存储模块将实验数据及实验结果存储在虚拟仪器的系统中,在进行实验时进行调用,用于输出实验结果和数据处理模块处理。3)数据处理模块对数据存储模块传输过来的数据进行处理,包括使用公式对一些必要数据的计算,以及应用一些数据生成曲线图或表格。4)实验报告打印模块对实验的总体过程生成一份书面的实验报告,包括将实验存储模块内的实验数据和数据处理模块处理好的数据以及实验目的、实验设备、实验原理、实验步骤等一系列元素,便于老师检查实验和学生课后更加系统的学习。5)视频嵌入模块将实验过程的完整视频存入LabVIEW中,展示在人机交互界面。可以随使用者的意愿自由进行启停。对弹性模量E及泊松比的测定实验的实验视频,一般为mp4文件。(2)实验内容实验内容包括以下几个方面:1)实验目的:实验的目的是说明弹性模量实验在材料力学教学中的意义,主要为明确学习者在使用该系统学习时的学习目的,它的表达使用文字:2)实验设备:实验设备中包括试件在内的全部将要使用到的工具:材料力学多功能实验台(1) 主机(2)力/应变 综合参数测试仪和游标卡尺,使使用者可以快速上手;3)实验步骤:实验步骤是使用者在了解实验原理后对原理进行补充,可其具体内容为测量试件的参数,然后根据试件的种类和具体参数进行预估。安装试件后分别在-20mm、-10mm、0、10mm和20mm处加载初始为800N并以800N递增直到4000N的力,共五组数据。3.2 主控界面实现将选项卡切换到弹性模量和弹性模量测定实验的界面,在此之后将显示实验目的、实验器材、实验过程的按钮控件,实验台和试件的图片,仿真实验的模拟或者实验视频,x-y图,数据显示和输入控件,生成报表按钮,调整它们的位置和外形使主控界面符合使用习惯和保证美观。图3.1则完美的实现了这点。图3.1 弹性模量与泊松比测定控制面板图3.3 弹性模量和泊松比测定实验指导杆件受轴向拉伸时,在比例极限内由胡克定律可知: 弹性模量: (3.1) 泊松比: (3.2)由3.1式、3.2式可见,求E,需先测出线应变,本实验采用电测静应变的方法,它是工程上最常用测定变形的方法之一。本次实验在测试E,时,采用分段等间距加载法,即从初始拉力到最高拉力等分为若干级进行读数,其好处是可以避开初始时的系统影响,并能及时发现实验中是否有差错,以及数据重复性和读数差值的离散性如何,并观察符合胡克定律的程度、这样,应以读数的平均值计算E和: (3.3) (3.4)在软件方面,具体的实现过程为:打开一个新的VI作为子程序,弹出两个新的界面,在其中一个界面前面板中单击鼠标右键,弹出控制选板,在控制选板中选择文本显示控件,在子选板中选择字符串控件。最后在前面板生成的实验指导如下图3.2-3.4所示。图3.2 实验目的图 图3.3实验仪器图图3.3 实验过程图首先插入配置文件路径,用于保存生成的文本文件,选择保存了实验指导内容TXT文件路径之后将其转换为常量,保证每次打开时不必重新选择文件,并且打开的不会是错误的文件,放置1个字符串输入控件19。然后打开VI程序框图,放置如下函数:1)写入文本文件用以读取文件内容在文件显示控件上显示;2)关闭文件用以停止调用文件,最终将各个控件和函数的接线端连接起来,并在写入文本文件的函数上置常数-1,这样可以读取TXT文件的全部数据。将函数和控件整体用while循环框起来,自定义设置VI属性事主程序调用时可以弹出。图3.5展示了具体的函数、控件以及连线。图3.5 弹性模量与泊松比测定文字显示程序图将子程序插入到主程序中,使用条件循环,设置为在单击按钮控件时将文本显示的子程序弹出,图3.6显示了调用显示控件的“值”属性节点,并将它设为常量的方法。图3.6 弹性模量与泊松比测定子程序图3.4 弹性模量和泊松比测定实验视频在在前面板放置一个“ActiveX”控件,在LabVIEW的前面板中创建一个“ActiveXContainer”容器,插入视频播放控件,与四个布尔控件。其排列方式按照图3.7的方式较好。图3.7 弹性模量与泊松比测定视频演示图然后切换到程序界面添加调用节点,将“Aplayer-ActiveX”输出连接至调用节点,选择“Open”;之后在前面板添加路径选择好视频文件后将其转换为常量,保证每次打开时不必重新选择文件,并且打开的不会是错误的文件,程序框图添加路径一定要转换为字符串才行,否则将不能正常的为控件连线和正确的读取视频文件。设置在前面板插入四个个布尔控件(开始,停止,播放,暂停)20。将开始控件连接在条件语句上控制视频插件的运行,再使用事件语句控制播放、停止和暂停控件在被单击后控制视频的播放、停止和暂停,在事件语句中插入调用节点,播放置“play”,停止置“close”,暂停置“pause”。具体设置连线及循环按照图3.8完成。 图3.8 弹性模量与泊松比测定视频演示程序图 3.5 弹性模量与泊松比测定曲线图事先将实验过程中的数据存入TXT文档中,将要读取的2个TXT文档内的数据的个数应该是一样的,把数据分成两列,x坐标和y坐标分别放在两列,两列之间用“Tab”键隔开。在前面板插入x-y图,如图3.9正确设置x,y轴所代表的数据。X轴为微应变,y轴为载荷。两条曲线分别是应变片在两个方向上的受力与应变。 图3.9 弹性模量与泊松比测定曲线图使用读取表格文件这一函数来进行TXT文档生成xy图。在“读取电子表格文件”控件右边的读取文件路径处创建输入控件,选择好读取的文件的路径,正确连接端口,并将文件路径转换为常量,使得每次打开时不必重新选取,也不会打开错误文件。将两组数据均转换二维数组:利用函数分别将第一列和第二列数据分离出来。文件读取及数据转换到生成xy图的函数及连线如图3.10。图3.10 弹性模量与泊松比测定曲线图程序图因为是在同一个曲线图内显示两条不同的曲线,因此需要创建矩阵,将两个曲线的数据同时连接在矩阵上,将矩阵转置后再由转换至动态数据连接到xy图上21。设置方式由图3.11展示。图3.11 弹性模量与泊松比矩阵程序图3.6 弹性模量与泊松比的测定数据处理实验结束后,要计算弹性模量和泊松比,弹性模量由公式 计算,泊松比由公式来计算。其计算结果为图3.12中显示的值。 图3.12 弹性模量与泊松比测定数据处理图将算术符号与正确的常量相连,计算出弹性模量和泊松比后由显示控件显示在前面板上。程序的计算公式的连接如3.13图。图3.13 弹性模量与泊松比测定数据处理程序图3.7 报表生成实现报表是实验的最后一步,整体的展示整个实验的全部数据和实验过程中数据的变化,其中包括弹性模量和泊松比,以及一份xy图。实际的报表与图3.14展示的相同。图3.14 弹性模量与泊松比测定报表图首先创建一份模板文件,在正确的位置输入文字,用以构建报表。再为需要输入数字以及存放xy图的单元格命名,便于插入数字和曲线图。将这份文件保存为模板。选择其中的制表控件,正确设置控件。分别创建数据的“值”属性节点和xy图的“导出图像”调用节点。将这些节点按顺序与报表控件相连,再创建条件语句,即可在运行后生成报表。报表工具与“值”属性节点照图3.15连接。图3.15 弹性模量与泊松比测定报表程序图4 梁的纯弯曲正应力模拟实验4.1 总体设计1、设计目标由于材料力学覆盖诸多力学理论,数学模型构建困难,即使有比较好的算法,其计算量也将很大,并且耗时,为达到实时模拟仿真的目的,在设计上,材料力学模拟实验系统采用结合实际实验的实验数据进行仿真模拟的方法。为了让使用者仿佛在真正的进行梁的纯弯曲实验,我们是用LabVIEW建立了非常写实的实验模拟系统。通过准备好的实验基本知识,以图片及文字的形式,包括目的、材料、原理、过程等,使使用者快速的了解实验的操作方法。这样,使用者可以有条理的,迅速的操作实验。2、总体框架设计(1)软件模块软件模块主要是LabVIEW组成的22。本次实验模拟中用到的软件模块包括五部分:实验模拟模块、数据存储模块、数据处理模块、实验报告打印模块、有限元仿真模块、视频嵌入模块。1)实验模拟模块 实验模拟模块是实验中最重要的部分,是一个虚拟系统可以代替实际力学实验台的基础,可以是使用者在不接触实验台的情况下,仍能对实验有深刻认识的重要保证,它可以对梁的纯弯曲正应力的测定实验进行模拟:2)数据存储模块将实验数据及实验结果存储在虚拟仪器的系统中,在进行实验时进行调用,用于输出实验结果和数据处理模块处理。3)数据处理模块对数据存储模块传输过来的数据进行处理,包括使用公式对一些必要数据的计算,以及应用一些数据生成曲线图或表格。4)实验报告打印模块对实验的总体过程生成一份书面的实验报告,包括将实验存储模块内的实验数据和数据处理模块处理好的数据以及实验目的、实验设备、实验原理、实验步骤等一系列元素,便于老师检查实验和学生课后更加系统的学习。5)视频嵌入模块将实验过程的完整视频存入LabVIEW中,展示在人机交互界面。可以随使用者的意愿自由进行启停。其中包括梁的纯弯曲正应力的测定实验的有限元仿真视频,一般为mp4文件。(2)实验内容实验内容包括以下几个方面:1)实验目的:实验的目的是说明梁的纯弯曲正应力实验在材料力学教学中的意义,主要为明确学习者在使用该系统学习时的学习目的,它的表达使用文字:2)实验设备:实验设备中包括试件在内的全部将要使用到的工具:材料力学多功能实验台:(1) 主机(2)力/应变综合参数测试仪与游标卡尺和钢尺,使使用者可以快速上手;3)实验步骤:实验步骤是使用者在了解实验原理后对原理进行补充,其具体内容为测量试件的参数,然后根据试件的种类和具体参数进行预估。安装试件后分别在应变片的两侧加载初始为1000N并以1000N递增直到5000N的力,共五组数据。4.2 主控界面实现 将选项卡切换梁的纯弯曲实验界面,在此之后将所需要的控件分别安放在三个选项卡中,包括打开显示实验目的、实验器材、实验过程的按钮控件,实验台和试件的图片,仿真实验的模拟或者实验视频,x-y图,数据显示和输入控件,生成报表的按钮,调整它们的位置和外形时使主控界面符合使用习惯和保证美观。图4.1的排布方式则实现了这一点。图4.1 梁的纯弯曲实验控制面板图4.3 梁的纯弯曲正应力实验指导由理论推导出梁纯弯曲时横截面上的正应力公式为 (4.1)实验测定的各点正应力值为 (4.2) 在比例极限内要对梁反复加荷测定,因而采取分段等间距加载读测的方法观察符合胡克定律的情况,并得到弯矩增量下的应变增量,从而测定应力值增量。式中 为i点应变增量的各遍平均值。 (4.3)与之相比较的理论值: (4.4)如测定过程正常,则各遍应变增量离散度应在规定范围内。在软件方面,具体的实现过程为:打开一个新的VI作为子程序,弹出两个新的界面,在其中一个界面前面板中单击鼠标右键,弹出控制选板,在控制选板中选择文本显示控件,在子选板中选择字符串控件23。实验指导运行时应与图4.2-4.4相同。图4.2 实验目的图图4.3 实验仪器图图4.4 实验过程图首先插入配置文件路径,用于保存生成的文本文件,选择保存了实验指导内容TXT文件路径之后将其转换为常量,保证每次打开时不必重新选择文件,并且打开的不会是错误的文件,放置1个字符串输入控件。然后打开VI程序框图,放置如下函数:1)写入文本文件用以读取文件内容在文件显示控件上显示;2)关闭文件用以停止调用文件,最终将各个控件和函数的接线端连接起来,并在写入文本文件的函数上置常数-1,这样可以读取TXT文件的全部数据。将函数和控件整体用while循环框起来,自定义设置VI属性事主程序调用时可以弹出。图4.5展示了具体的函数、控件以及连线。图4.5 梁的纯弯曲实验文字显示程序图将子程序插入到主程序中,使用条件循环,设置为在单击按钮控件时将文本显示的子程序弹出,图4.6展示了如何调用显示控件的“值”属性节点,并将它设为常量。图4.6 梁的纯弯曲实验子程序图4.4 梁的纯弯曲正应力实验视频在前面板插入一个“ActiveX”控件,在LabVIEW的前面板中创建一个“ActiveXContainer”容器,插入视频播放控件,与四个布尔控件24。它们的排列方式请参照图4.7。图4.7 梁的纯弯曲实验视频演示图然后切换到程序界面添加调用节点,将“Aplayer-ActiveX”输出连接至调用节点,选择“Open”;之后在前面板添加路径选择好视频文件后将其转换为常量,保证每次打开时不必重新选择文件,并且打开的不会是错误的文件,程序框图添加路径一定要转换为字符串才行,否则将不能正常的为控件连线和正确的读取视频文件。设置在前面板插入四个个布尔控件(开始,停止,播放,暂停)25。将开始控件连接在条件语句上控制视频插件的运行,再使用事件语句控制播放、停止和暂停控件在被单击后控制视频的播放、停止和暂停,在事件语句中插入调用节点,播放置“play”,停止置“close”,暂停置“pause”。具体设置连线及循环按照图4.8完成。图4.8 梁的纯弯曲实验视频演示程序图4.5 梁的纯弯曲正应力实验曲线图将实验过程中产生的数据存入TXT文档中,将要读取的3个TXT文档内的数据的个数应该是一样的,把数据分成两列,分别为x坐标和y坐标,两列之间用“Tab”键隔开26。在前面板插入x-y图,按照图4.9正确设置x,y轴所代表的数据。x轴为微应变,y轴为载荷。3条曲线分别是应变片0、10mm、20mm处的受力与应变。图4.9 梁的纯弯曲实验曲线图使用读取表格文件这一函数来进行TXT文档生成xy图。在“读取电子表格文件”控件右边的读取文件路径处创建输入控件,选择好读取的文件的路径,正确连接端口,并将文件路径转换为常量,使得每次打开时不必重新选取,也不会打开错误文件。将三组数据均转换二维数组:利用函数分别将第一列和第二列数据分离出来27。接线方式如图4.10。图4.10 梁的纯弯曲实验曲线图程序图因为是在同一个曲线图内显示两条不同的曲线,因此需要创建矩阵,将两个曲线的数据同时连接在矩阵上,将矩阵转置后再由转换至动态数据连接到xy图上。设置方式由图4.11展示。图4.11 梁的纯弯曲实验矩阵程序图4.6 梁的纯弯曲正应力实验数据处理实验结束后由公式计算出五个实验值28。具体显示为图4.12中的5个数据。图4.12 梁的纯弯曲实验数据处理图将算术符号与正确的常量相连,计算出五个实验值后由显示控件显示在前面板上。将数值代入公式,则程序为图4.13。图4.13 梁的纯弯曲实验数据处理程序图4.7 报表生成实现报表是实验的最后一步,整体的展示整个实验的全部数据和实验过程中数据的变化,其中5个经过计算实验值以及一份xy图。实际的报表与图4.14展示的相同。图4.14 梁的纯弯曲实验报表图首先创建一份模板文件,在正确的位置输入文字,用以构建报表。再为需要输入数字以及存放xy图的单元格命名,便于插入数字和曲线图。将这份文件保存为模板。选择其中的制表控件,正确设置控件。分别创建数据的“值”属性节点和xy图的“导出图像”调用节点。将这些节点按顺序与报表控件相连,再创建条件语句,即可在运行后生成报表。报表生成工具及“值”属性链接如下图4.15。 图4.15 梁的纯弯曲实验报表程序图结 论这是一个拥有强大的适用性功能的课题,本次设计有极大的使用价值,而且在发展方面仍有很大的进步空间。本文分析总结了前人的研究,结合现代计算机技术的发展趋势,设计了基于LabVIEW的材料力学实验模拟系统,使用LabVIEW开发了基于虚拟仪器技术的实验模拟系统软件,达到了预期的目的。在课题设计论文的第一章中我详细的介绍了虚拟仪器理论,包括虚拟仪器的介绍,它的特征与优势。并着重的对LabVIEW的发展、特征和优势以及本课题使用LabVIEW的好处进行了介绍。虚拟仪器突破了传统仪器的概念,是计算机系统与仪器系统有机结合的产物。利用计算机系统强大功能和突出的性价比,结合相应的硬件,大大突破传统仪器在数据处理、显示、传输等方面的限制,其特点是经济灵活,维护、扩展、升级方便。在接下来的第二章中,完成了低碳钢轴向拉伸实验的模拟,介绍了拉伸实验模拟系统的外观及操作方式,着重介绍了构建该系统的过程与技术参数。其中的难点是通过实验数据生成了拉伸实验的曲线图,并对曲线进行了三次样条插值处理,从曲线图中可以通过光标自动加载四个极限应力值。第三章完成了弹性模量与泊松比的测定实验的实验模拟,在第四章模拟了梁的纯弯曲正应力的测定实验,在模拟系统中,通过实验目的、仪器、实验过程来指导实验。通过视频嵌入,展示了实验过程,同时,为了便于了解实验过程中数据的变化制作了曲线图,尤其是在一个曲线图中显示多条曲线。通过数据的处理,进行数据整理和计算,并利用报表打印数据和图像。参考文献1胡超, 程建钢, 韩锡斌. 材料力学多媒体仿真教学实验系统J. 力学与实践, 2002, 24(6):68-71.2龙连春, 刘海宏, 杨庆生. 材料力学概念数值模拟分析系统J. 实验技术与管理, 2013(8):86-89.3吴宏, 关丽媛. 材料力学实验型课件教学系统的研究J. 技术经济, 1997(3):30-32.4李斌, 闫琴.
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