基于 labVIEW的材料力學(xué)實驗?zāi)M系統(tǒng)研究含開題報告及文獻綜述、任務(wù)書
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一、選題依據(jù)
1．論文（設(shè)計）題目
基于 labVIEW 的材料力學(xué)實驗?zāi)M系統(tǒng)研究
2．研究領(lǐng)域
運用 labVIEW 虛擬儀器來實現(xiàn)材料力學(xué)實驗系統(tǒng)模擬、數(shù)據(jù)存儲和分析。運用到材料力學(xué)知識和一定的測試技術(shù)，信號分析的相關(guān)知識以及關(guān)于labVIEW 的編程知識。
3．論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值
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，是一門傳統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)課程。為學(xué)好這門課程，就必須培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，因此材料力學(xué)實驗必不可少。
但是，目前仍有一些問題橫亙在力學(xué)實驗教學(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招，學(xué)生數(shù)量大量增加所導(dǎo)致的能夠指導(dǎo)材力實驗的老師和硬件設(shè)施的缺乏，實驗設(shè)備引入耗資巨大，每次實驗的材料損耗很大，因此無法滿足教學(xué)的需求[1]。
為解決這一問題，國內(nèi)外諸多院校開始引入虛擬儀器來進行實驗教學(xué)[2]。計算機輔助教學(xué)，即 CIA 是近幾十年來新興并迅速發(fā)展起來的一種綜合性質(zhì)的計算機應(yīng)用技術(shù)[3]。CIA 具有以下優(yōu)點：它可以為學(xué)生提供一個個人化的良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。并且綜合應(yīng)用超文本、知識庫和人工智能以及多媒體等計算機技術(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，使課程更加靈活生動。它的使用能有效地縮短學(xué)習(xí)時間、提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，實現(xiàn)最優(yōu)化的教學(xué)目標(biāo)。
通過 CIA 技術(shù)構(gòu)建一個極為真實的實驗仿真平臺讓學(xué)習(xí)者在逼真的模擬情境中， 利用圖文并茂的實驗預(yù)備知識，極為豐富的實驗相關(guān)資料，操作十分靈活的實驗交互過程，以及及時方便的實驗操作指導(dǎo)，使實驗者在計算機上快速準(zhǔn)確地完成相關(guān)的材料力學(xué)實驗過程。在不限時間、不限地點的實驗環(huán)境下進行力學(xué)實驗，這極大地發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性。通過網(wǎng)上的數(shù)據(jù)庫等平臺獲取大量實驗知識，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
在這個技術(shù)發(fā)展日新月異的年代，利用計算機和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)進行傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造已是大勢所趨。虛擬儀器技術(shù)正是計算機技術(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發(fā)平臺[5]。labVIEW 是 NI 公司推出的具有革命性的圖形化虛擬儀器設(shè)計平臺，它內(nèi)置了信號的采集、測量、分析與顯示數(shù)據(jù)的功能，一些軟件開發(fā)工具的傳統(tǒng)的復(fù)雜操作被摒棄了，在提供強大測控功能的同時，還保持系統(tǒng)的靈活性，讓使用者可以無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專注于需要解決的問題，同時提供了新的功能來簡化開發(fā)。使用通道連線這一個數(shù)據(jù)通信的新功能，只需通過一條連線即可在
循環(huán)之間傳輸數(shù)據(jù)，無需使用隊列。最新的 labVIEW 增加了對五種附加工具的支持，在開發(fā)和調(diào)試應(yīng)用時利用操作系統(tǒng)的所有內(nèi)存。與 Linux 和 Eclipse 等開源平臺更高的集成度，可以針對不同的任務(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量課題和測量需求?！皼]有測量就沒有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進”。虛擬儀器將會在科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
李偉，陳孟詩等人研究的實驗系統(tǒng)針對本科生材料力學(xué)實驗的要求，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，邊界條件對壓桿影響等多種實驗裝置合為一體，實驗臺采用組合式杠桿系統(tǒng)傳遞載荷, 對各分項裝置分別使用螺旋手動加載[6]。各裝置間無需轉(zhuǎn)換相對獨立, 通過更換不同的試件, 擴展其實驗功能, 操作使用方便。實驗系統(tǒng)中載荷、位移和應(yīng)變的信號經(jīng)多通道測試系統(tǒng), 采集放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換, 由計算機處理顯示。由材料力學(xué)多功能實驗臺上的載荷傳感器和應(yīng)變片獲取數(shù)據(jù)經(jīng)由多通道測量儀傳輸?shù)娇刂朴嬎銠C由 RS232 通信傳輸?shù)?PC 機端軟件中。具有實驗設(shè)備小巧，操作方便，極大地簡化了十分繁瑣的實驗準(zhǔn)備工作和實驗過程中試件的安裝工作。
付昌云，孫僮等人研究的材料實驗機不僅滿足了社會主流的實驗機以拉伸、壓縮實驗為主并且可以進行拉力，扭轉(zhuǎn)，沖擊實驗的需求[7]。并且解決了隨著新材料不斷運用到工程實際中，主要完成的是低碳鋼和鑄鐵的軸向拉伸和壓縮實驗的實驗機已無法滿足工程需求的問題。可以分別對彎曲部件和彎扭組合部件的材料及尺寸進行確定，并確定極限載荷。利用 UG 對實驗臺進行改在主要設(shè)計了鋼板的拉伸、彎曲、彎扭試件，并進行了強度計算，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、進行彎曲應(yīng)力公式、獲取彎扭部件的應(yīng)力。使實驗臺可以完成材料彈性模量 E 和泊松比m的測量、橫力彎曲和純彎曲下應(yīng)變的測量，彎扭組合變形下的應(yīng)變的測量功能。
二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容
1.重點解決的問題
用 labVIEW 對材料力學(xué)實驗臺進行模擬仿真設(shè)計.
2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路）
（1）軟件模塊
軟件模塊主要是labVIEW 組成的。labVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境，類似于C 和BASIC 開發(fā)環(huán)境，但 labVIEW 與其它計算機語言的顯著區(qū)別是：其它計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼行，而 labVIEW 使用圖形化編程語言 G 語言編寫程序，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)，有一個可完成任何編程任務(wù)的龐大的函數(shù)庫。本次實驗?zāi)M中用到的軟件模塊包括五部分：實驗?zāi)M模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實驗報告打印模塊、有限元仿真模塊、視頻嵌入模塊[8]。
1) 實驗?zāi)M模塊
實驗?zāi)M模塊是實驗中最重要的部分，是一個虛擬系統(tǒng)可以代替實際力學(xué)實驗臺的基礎(chǔ)，可以是使用者在不接觸實驗臺的情況下，仍能對實驗有深刻認(rèn)識的重要保證，它可以對以下三項實驗進行模擬：
1.拉伸實驗。
2.彈性模量 E 及泊松比m的測定。
3.梁的純彎曲正應(yīng)力的測定。
2) 數(shù)據(jù)存儲模塊
將實驗數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果存儲在虛擬儀器的系統(tǒng)中，在進行實驗時進行調(diào)用，用于輸出實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)處理模塊處理。
3) 數(shù)據(jù)處理模塊
對數(shù)據(jù)存儲模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)進行處理，包括使用公式對一些必要數(shù)據(jù)的計算，以及應(yīng)用一些數(shù)據(jù)生成曲線圖或表格。
4) 實驗報告打印模塊
對實驗的總體過程生成一份書面的實驗報告，包括將實驗存儲模塊內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理模塊處理好的數(shù)據(jù)以及實驗?zāi)康?、實驗設(shè)備、實驗原理、實驗步驟等一系列元素，便于老師檢查實驗和學(xué)生課后更加系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。
5) 有限元仿真模塊
對于拉伸實驗來說，實驗現(xiàn)象是非常明顯的，便于實驗者輕易地觀察到，但是對于彈性模量 E 及泊松比m的測定和梁的純彎曲正應(yīng)力的測定這兩個實驗來說，實驗現(xiàn)象十分微小，不利于觀察，因此利用有限元仿真，對實驗過程及實驗現(xiàn)象進行仿真，將試件產(chǎn)生的變化放大，有利于觀察[9]。
6) 視頻嵌入模塊
將實驗過程的完整視頻存入 labVIEW 中，展示在人機交互界面。當(dāng)實驗者點擊開
始實驗后就進行播放。其中包括拉伸實驗實驗臺的工作視頻，一般為 rmvb 或 avi 文件。以及對彈性模量 E 及泊松比m的測定和梁的純彎曲正應(yīng)力的測定兩個實驗的有限元仿真視頻，一般為 flash 文件。
（2）實驗內(nèi)容
實驗內(nèi)容包括以下幾個方面：
1）實驗?zāi)康模簩嶒灥哪康氖钦f明該實驗在材料力學(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)時的學(xué)習(xí)目的，它的表達使用文字：
2）實驗設(shè)備：實驗設(shè)備中包括了當(dāng)前實驗中所有會被用到的實驗設(shè)備，通過本模塊，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）實驗原理：實驗原理詳細(xì)介紹了每個實驗的基本原理，實驗裝置的示意圖和相關(guān)的計算公式，同時以文字和圖片來展示，通過使用實驗原理部分，可以將實驗的總體過程大致掌握；
4）實驗步驟：實驗步驟是使用者在了解實驗原理后對原理進行補充，可以使用者更加簡單的使用本實驗?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[10]。
3.本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果
了解拉材料力學(xué)實驗的原理以及重要性,能用 labVIEW 進行材料力學(xué)實驗系統(tǒng)的模擬，使實驗者在計算機上快速準(zhǔn)確地完成相關(guān)的材料力學(xué)實驗過程[11]。在不限時間、不限地點的實驗環(huán)境下進行力學(xué)實驗，盡可能地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。通過網(wǎng)上的數(shù)據(jù)等平臺獲取實驗知識，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）工作安排
1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）
（1）labivew 編程技術(shù)
labVIEW 是虛擬儀器開發(fā)工具，其外觀和操作均模仿現(xiàn)實儀器，因此實驗系統(tǒng)模擬通過 labVIEW 的圖形化編程進行對實際力學(xué)實驗臺的仿真。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部分。
1.前面板：前面板是圖形用戶界面，該界面是用來模擬真實力學(xué)實驗臺的操作界面，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：每個前面板都有一個程序框圖與之對應(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、端口和數(shù)據(jù)連線等組成，在框圖中對VI 編程就是對輸入信息進行運算處理，最后在前面板上把結(jié)果顯示給用戶。
（2）實驗內(nèi)容指導(dǎo)界面
通過文件 I/O 操作，創(chuàng)建一個文件用于存放實驗指導(dǎo)內(nèi)容，給出存儲路徑，這時 labVIEW 將返回一個引用句柄]。使用文件 I/O 函數(shù)對已經(jīng)打開的文件進行，釋放寫入操作。關(guān)閉文件后引用句柄將被釋放。通過這種方式，就將實驗指導(dǎo)內(nèi)容寫入
labVIEW。
（3）實驗視頻嵌入
labVIEW 可以實現(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”，可以通過自定義控件來實現(xiàn)視頻的播放，然后通過對這些類的“屬性”，“方法”，“屬性節(jié)點”，“調(diào)用節(jié)點”， 以及“事件結(jié)構(gòu)”來實現(xiàn)播放存儲在計算機中常見格式視頻文件[13]。
（4）有限元仿真
根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元剛度矩陣，這是有限元法的基本步驟之一。
（5）實驗數(shù)據(jù)的讀取
labVIEW 可以讀寫文本文件、數(shù)據(jù)報表文件、二進制文件和測試文件。實驗數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成表格數(shù)據(jù)進行保存,數(shù)據(jù)的保存分為兩個階段[14]。第一階段，通過表單形式顯示在主程序界面，方便用戶直觀查看測試參數(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）實驗數(shù)據(jù)的處理
1）拉伸實驗
1.屈服極限的計算
屈服階段，若載荷是恒定的，則此時的應(yīng)力成為屈服強度ss 。上屈服強度則是ssu 試樣發(fā)生屈服首次下降前的最高應(yīng)力，下屈服強度ssi 則是屈服期間不計初始瞬時效應(yīng)時的最小應(yīng)力。屈服強度按式ss = Ps / s0 計算，上屈服強度按式ssu = Psu / s0 計算， 下屈服強度按式ssi = Psi / s0 計算。
2.強度極限的計算
最大拉力值與原始橫截面值之比稱為抗拉強度sb ，sb = Fb / s0 。
3.斷后伸長率計算
試樣拉斷后， 標(biāo)距內(nèi)的伸長與原始標(biāo)距的百分比稱為斷后伸長率d ，
d= (L1 - L0 ) / L0 ′100% 。
4.斷面收縮率的計算
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的測定
n
計算每一個電阻應(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= / 計算 E 和m。
3） 梁純彎曲段正應(yīng)力的計算
n
計算每個測試點應(yīng)變的算術(shù)平均值Dei = ? De/ n 。
j =1
按Ds(i ) = EDe(i ) 式計算實驗值；
按Ds(i ) = DFaY / 2I z 式計算理論值；
以理論值為準(zhǔn)計算實驗值的百分誤差d=（s理 -s實）/s理 ′100%[15]。
（7）實驗報告的生成
報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 實現(xiàn)自動報表功能，而本 Excel 身就是一個巨大的二維表格, 非常適合記錄大量有規(guī)律的數(shù)據(jù)。利用
labVIEW 的報表生成子 VI, 分兩步動態(tài)實現(xiàn) Excel 報表生成。首先初始化報表, 包括寫入標(biāo)題、說明、表格每項數(shù)據(jù)的意義等，然后把處理完的數(shù)據(jù)一次寫入 Excel[16]。
2.論文（設(shè)計）進度計劃
第 1 周：查閱文獻，了解畢業(yè)設(shè)計題目的研究意義
第 2 周：查閱文獻，了解畢業(yè)設(shè)計題中相關(guān)內(nèi)容的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
第 3 周：閱讀文獻，掌握畢業(yè)設(shè)計的研究內(nèi)容及技術(shù)路線
第 4 周：撰寫畢業(yè)設(shè)計開題報告，準(zhǔn)備開題報告答辯
第 5 周：了解材料力學(xué)實驗的原理步驟數(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)及簡單有限元分析
第 8 周：完成實驗?zāi)M仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)框架及功能模塊的搭建第 9 周：完成拉伸實驗的 labVIEW 仿真，中期檢查
第 10 周：完成彈性模量及泊松比實驗的 labVIEW 仿真第 11 周：完成純彎曲實驗的 labVIEW 仿真
第 12 周：撰寫畢業(yè)設(shè)計論文
第 13 周：撰寫畢業(yè)設(shè)計論文
第 14 周：撰寫畢業(yè)設(shè)計論文
第 15 周：完成畢業(yè)設(shè)計論文修改及答辯 ppt第 16 周：論文答辯
四、需要閱讀的參考文獻
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附：文獻綜述或報告
系統(tǒng)主模塊
實驗一
實驗二
實驗三
實驗?zāi)康?
試樣
實驗?zāi)M
實驗原理
結(jié)果處理
文獻綜述
基于 labVIEW 的材料力學(xué)實驗?zāi)M系統(tǒng)研究
摘要：材料力學(xué)模擬仿真技術(shù)在未來有很好的發(fā)展前景。而與labVIEW結(jié)合后在以后的教學(xué)實驗中會充分應(yīng)用電子技術(shù)與計算機技術(shù)，使學(xué)生直接應(yīng)用計算機完成包括數(shù)據(jù)處理的全部實驗過程。
關(guān)鍵詞：labVIEW,材料力學(xué)實驗系統(tǒng)模擬,測試系統(tǒng)前言
材料力學(xué)實驗?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，通過不同
功能模塊的組合可構(gòu)成多種實驗儀器，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)果和控制的過程[2]。這種對關(guān)鍵部分的轉(zhuǎn)移進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)們的等待時間，使老師的指導(dǎo)更加靈活[3]。本系統(tǒng)利用計算機強大的圖形用戶界面（GUI）,可用計算機直接讀數(shù)[4]。根據(jù)工程的實際需要，使用人員可以通過軟件編程或采用現(xiàn)有分析軟件，實時、直接的對實驗數(shù)據(jù)進行各種分析與處理。虛擬儀器模擬系統(tǒng)價格低，而且其基于軟件的體系結(jié)構(gòu)還大大節(jié)省了研發(fā)時間[5]。
1.模擬系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖
該系統(tǒng)將三個實驗架構(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)實驗，比教科書更加簡單易懂。并且可以對實驗進行模擬演示，有助于教師講解和學(xué)生學(xué)習(xí)。在此基礎(chǔ)上，實驗結(jié)束后，該系統(tǒng)會自動處理實驗數(shù)據(jù)、生成曲線圖和圖表，并自動打印實驗報告。模擬系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖見圖 1。
圖 1. 模擬系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖
2.實驗操作
使用者通過模擬出來的實驗場景，對實驗環(huán)境有一個直觀的感受，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。然后在實驗指導(dǎo)界面上學(xué)習(xí)實驗?zāi)康?，使學(xué)習(xí)者能夠該實驗在力學(xué)教學(xué)中的意義，以文字的形式，讓使用者明白希望通過實驗?zāi)軌蜻_成什么樣的目標(biāo)：同樣，在指導(dǎo)界面上理解實驗原理，實驗原理包括了實驗的基本原理和相關(guān)公式，學(xué)習(xí)過后，可以大體上掌握實驗的基本流程。在實驗原理的基礎(chǔ)上，程建剛等人增加了實驗步驟，這是對實驗原理的補充[5]。老師通過編寫實驗步驟，使用圖片或文字的方式，為使用者提供了一個標(biāo)準(zhǔn)的實驗流程。實驗步驟具體到每個實驗設(shè)備個別操作，是一份總體的實驗指導(dǎo)書，能夠幫助使用者快速、有效的了解該實驗的操作步驟。了解過實驗步驟后，開始認(rèn)識實驗設(shè)備，其中包括了當(dāng)前實驗中所有將要用到的設(shè)備，使用者通過該階段了解實驗的操作面板和熟悉實驗步驟
[11]。實驗開始后，模擬系統(tǒng)開始提取數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理輸出圖標(biāo)和曲線圖，并
生成實驗報告，使用者將實驗報告下載打印后交給老師并進行課后復(fù)習(xí)。周塔等人格外添加了教師端，可以對學(xué)生進行指導(dǎo)打分[6]。
3.labVIEW 圖形化編程特點
與傳統(tǒng)的材料力學(xué)實驗教學(xué)相比具有以下特點：
1）不需要物理上的實現(xiàn)形式：模擬系統(tǒng)通過軟件功能來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)處理與分析及數(shù)據(jù)顯示這三個部分的物理功能。它充分利用計算機系統(tǒng)強大的數(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、分析和處理以及測試結(jié)果的顯示等，通過軟硬件的配合來實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗臺的各種功能[7]；
2）在系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)軟硬件資源共享：系統(tǒng)最大的特點是將計算機資源與儀器硬件、數(shù)字信號處理技術(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]。通過編程就可以使用不同的方式進行同一實驗、學(xué)習(xí)更多實驗和自己設(shè)計實驗驗證[9]。
3）圖形化的軟件面板：本系統(tǒng)沒有普通實驗臺的控制面板，而是利用強大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，以在計算機屏幕上建立圖形化的軟面板來代替常規(guī)實驗臺的面板，軟鍵盤上有與實際儀器相似的按鈕、開關(guān)、指示燈及其它控制部件。在操作時，學(xué)習(xí)者通過鼠標(biāo)或鍵盤操作軟面板，來檢驗儀器的通信與操作
[10]。
4.模擬系統(tǒng)功能模塊的實現(xiàn)
1）數(shù)據(jù)庫
數(shù)據(jù)庫是進行材料力學(xué)模擬實驗的基礎(chǔ)，它記錄某種材料在實驗時應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系的所有對應(yīng)數(shù)據(jù)。韓錫斌等人通過設(shè)計兩個 ActiveX 控件，使用 Visual C++和
CDaoRecordest 類編寫的，使用 ActiveX 控件的方法來實現(xiàn)對指定數(shù)據(jù)庫的訪問與控制[11]。
2）實驗指導(dǎo)界面
楊忠仁等人所設(shè)計的實驗指導(dǎo)界面最具代表性，其中包括實驗場景、實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗步驟、實驗設(shè)備等[12]。
3）有限元仿真
吳宏等人通過 VB 封裝 ANSYS 來實現(xiàn)有限元分析，為了使學(xué)生在使用時無需了解
ANSYA 軟件，采用了完全封裝的方法設(shè)計，即只需要用戶點擊本軟件的界面選項，不需要在 ANSYS 中進行任何操作[13]。
4）實驗視頻嵌入
王琳等人使用 Flash 通過 ActionScript 語句，嵌入實驗過程視頻，并使界面有了交互功能[14]。
而王紅杰等人通過 VRML，即虛擬現(xiàn)實構(gòu)造語言，其作用就是虛擬現(xiàn)實場景，同時也是一種三維造型和渲染的圖形描述性語言。VRML 的目的主要是為了在網(wǎng)頁中實現(xiàn)三維動畫效果以及基于三維對象的用戶交互[15]。
5）數(shù)據(jù)分析
文獻 13 中利用 ANSYS 后處理模塊把應(yīng)用圖和變形圖等結(jié)果報告及相關(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)果報表就可以在 VB 界面中方便的查看 ANSYS 計算結(jié)果。
6)實驗報告生成
李偉等人研究的模擬系統(tǒng)中具有實驗報告自動生成的功能，通過ANSYS后處理自動生成[16]。
總結(jié)
面對當(dāng)前高校招生人數(shù)的不斷擴大，當(dāng)前學(xué)校的教學(xué)實驗資源已無法滿足教學(xué)
的需求，很多專業(yè)特別是理工類專業(yè)，對實驗以及實際動手能力的要求特別高，雖然當(dāng)前政府部門加大了對學(xué)校的教育和科研經(jīng)費投入，可是面對眾多需要實驗的同學(xué)，學(xué)校的實驗設(shè)備無論從數(shù)量上還是從質(zhì)量上都已經(jīng)無法滿足實際需求。隨著計算機硬件及程序設(shè)計語言的發(fā)展，產(chǎn)生了虛擬儀器。開發(fā)虛擬儀器，使用虛擬儀器做實驗可以有效節(jié)約實驗經(jīng)費，也能使實驗在時間和空間上得到有效擴展。
參 考 文 獻
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