基于Labview的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)研究,基于,labview,材料力學(xué),實(shí)驗(yàn),試驗(yàn),模擬,摹擬,系統(tǒng),研究,鉆研 0 0 48 800 95 1600 145 2400 192 3200 241 4000 0 0 23 800 46 1600 70 2400 93 3200 116 4000 0 0 0 800 -1 1600 -1 2400 -1 3200 -2 4000 0 1000 4 26250.5 5 34000 5.5 34962 5.75 32600 6 32200 6.17 32400 6.34 31100 6.5 31050 6.67 30000 6.88 31300 7 31800 7.17 31400 7.34 31450 7.5 31600 7.67 31900 7.88 31300 8 31000 8.5 33000 9 35000 9.5 35060 10 36250 10.5 37000 11 37500 11.5 38500 12 39000 12.5 39600 13 40200 13.5 40800 14 41400 14.5 41800 15 42200 15.5 42600 16 43000 16.5 43200 17 43400 17.5 43600 18 43800 20 44000 22 44300 24 44500 25.5 44300 25.75 44000 26 43750 26.25 43250 26.5 42500 26.75 42000 27 41200 27.5 39000 28 38750 28.5 35000 28.6 34800 1.電子萬能試驗(yàn)機(jī) 2.游標(biāo)卡尺 3.鋼尺 1.材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺: (1) 主機(jī) (2)力/應(yīng)變 綜合參數(shù)測試儀 2.游標(biāo)卡尺 1.材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺: (1) 主機(jī) (2)力/應(yīng)變 綜合參數(shù)測試儀 2.游標(biāo)卡尺和鋼尺 1.測定低碳鋼的屈服極限、強(qiáng)度極限、延伸率和斷面收縮率。 2.測定鑄鐵的強(qiáng)度極限。 3.觀察拉伸過程的幾個階段、現(xiàn)象、繪制拉伸圖。 4.比較低碳鋼與鑄鐵的力學(xué)性能。 1.了解電測靜應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的基本原理和方法，并做初步操作練習(xí)。 2.在比例極限內(nèi)測定鋼材的彈性模量E和泊松比。 3.驗(yàn)證胡克定律。 1．測定梁純彎曲段正應(yīng)力大小及分布，并與理論計算結(jié)果進(jìn)行作比較； 2．進(jìn)一步熟悉電測靜應(yīng)力法的原理和操作方法，掌握應(yīng)變儀的操作。 1.測量試件尺寸：用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距長度范圍內(nèi)，測量兩端及中間等三處截面的直徑，在每一處截面垂 直交叉各測量一次。取三處中最小一處的平均直徑計算橫截面積（要求測量精度精確到0.02mm）。在試樣標(biāo) 距長度內(nèi)，可以用兩個小沖點(diǎn)或一系列等分細(xì)線做出原始標(biāo)記，用來為斷口位置的補(bǔ)償做準(zhǔn)備。 2.試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備：根據(jù)試件橫截面積和材料的大致強(qiáng)度極限，設(shè)定實(shí)驗(yàn)所需的最大載荷。 3.安裝試件：先將試件安裝在試驗(yàn)機(jī)上夾頭內(nèi)，再開動下架頭升降電機(jī)（或轉(zhuǎn)動下夾頭升降手輪）使其達(dá)到 適當(dāng)?shù)奈恢?，然?試件下端夾 ，試件 夾頭 分要 長 中。 4. ：先 以上 ， 準(zhǔn) 后 可 下 實(shí)驗(yàn)。 5.實(shí)驗(yàn)： 設(shè)的 ?￠試件￡?￥ ?載， §currency1試件'“??中的?個fifl和電 –??·的 線， ?出下???及最大'?。 6.”?…‰“?和截面 ??的測定 `下'斷后的試件，用游標(biāo)卡尺測定斷′后的標(biāo)距長度及斷口處的最 小直徑?！靋urrency1?分? ˉ。 7.計算強(qiáng)度 標(biāo)??˙ 標(biāo)。實(shí)驗(yàn)出¨下列 一?，實(shí)驗(yàn)? ??ˇ （1）試樣在標(biāo)距—斷′， ˙ 標(biāo) 。 （2） 當(dāng) 致試樣 ? 。 （3）實(shí)驗(yàn)記 或設(shè)備? a 實(shí)驗(yàn)? 準(zhǔn)確˙ 上?實(shí)驗(yàn)? ???，?補(bǔ)做o樣 量試樣的實(shí)驗(yàn)。 1.在試樣標(biāo)距內(nèi)兩端及中間處測量厚度和寬度。將三處測得的橫截面積的算術(shù)平均值作為試樣原始橫截面積。 2.估算材料在彈性范圍內(nèi)最大允許載荷，制定加載方案。采用分段等間距加載方案，確定初始載荷，載荷等 級及每次載荷增量。 3.熟悉與掌握電阻應(yīng)變儀操作方法、 4.把電阻片的導(dǎo)線接到應(yīng)變儀上，并調(diào)平應(yīng)變儀。 5.待一切正常，正式開機(jī)實(shí)驗(yàn)。順時針旋轉(zhuǎn)加載手輪，對試件旋加拉力，采用等分段加載法，取 P1=1KN，P2=5KN，P3=1KN。將測試數(shù)據(jù)填入表1，每片工作片測讀三遍，共測讀四個工作片。 6.測度完畢，檢查數(shù)據(jù)，若不 應(yīng) 測試。最 導(dǎo) 定。 1、測量實(shí)驗(yàn)梁的高度和厚度。 2、估算材料在彈性范圍內(nèi)最大允許載荷Fmax，制定加載方案。采用分段等間距加載方案，確定初始載荷 F0，載荷等級及每次載荷增量△F。 3、熟悉和掌握電阻應(yīng)變儀操作方法。 4、取K儀=K片，把電阻片的導(dǎo)線接到應(yīng)變儀上，并調(diào)平應(yīng)變儀。 5、待一切正常，正式開機(jī)實(shí)驗(yàn)。順時針旋轉(zhuǎn)加載手輪，對試件旋加拉力，采用等分段加載法，取 P1=800N，Pmax=4000N，△P=800N。將測試數(shù)據(jù)填入表1，每片工作片測讀三遍，工測度四個工作片。 6、測讀完畢，檢查數(shù)據(jù)，若不符合要求應(yīng)重新測試。最后經(jīng)指導(dǎo)教師鑒定。 0 0 -8 1000 -16 2000 -25 3000 -34 4000 -44 5000 0 0 29 1000 50 2000 69 3000 92 4000 118 5000 摘 要 材料力學(xué)是工科院校機(jī)械類和近機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課,材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)該課程的重要組成部分.在實(shí)際中需要先對材料進(jìn)行力學(xué)性能指標(biāo)測定，只有符合力學(xué)技術(shù)指標(biāo)的材料才能使用于工程上,這就要求學(xué)生必須掌握一定的力學(xué)實(shí)驗(yàn)檢測方法和技能。然而購買實(shí)驗(yàn)設(shè)備要耗費(fèi)一筆巨款，每次實(shí)驗(yàn)也要損耗許多材料，因此無法滿足教學(xué)的需求。這是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最大阻礙。和計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合是測試儀器發(fā)展的主流，由此產(chǎn)生了虛擬儀器技術(shù)。解決問題的最好方法是利用虛擬儀器模擬實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)基于上述理由，我們用LabVIEW開發(fā)了力學(xué)實(shí)驗(yàn)的模擬系統(tǒng)。 本文研究的主要內(nèi)容有如下幾個方面： 1、完成了低碳鋼軸向拉伸實(shí)驗(yàn)的模擬，通過子程序?qū)崿F(xiàn)了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟的實(shí)驗(yàn)理論性指導(dǎo)。演示了低碳鋼試件拉斷過程的視頻和拉伸曲線生成過程的視頻，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)生成了拉伸實(shí)驗(yàn)的曲線圖，并對曲線進(jìn)行了三次樣條插值處理，從曲線圖中可以通過光標(biāo)自動加載四個極限應(yīng)力值，計算伸長率和收縮率，最終利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和拉伸曲線圖自動生成拉伸實(shí)驗(yàn)報告。 2、完成了彈性模量與泊松比的測定實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，其中利用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書指導(dǎo)目的、儀器和過程講解實(shí)驗(yàn)。整體通過視頻演示實(shí)驗(yàn)的試件安裝及加載載荷的全部過程，利用xy圖功能，通過數(shù)據(jù)生成了彈性模量與泊松比的測定實(shí)驗(yàn)的曲線圖，最后計算出彈性模量和泊松比，并自動將其填入報表。 3、模擬了梁的純彎曲正應(yīng)力的測定實(shí)驗(yàn)，在模擬系統(tǒng)中，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹x器、實(shí)驗(yàn)過程來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。通過視頻嵌入，展示了梁的純彎曲正應(yīng)力的測定實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過程，同時，為了便于了解實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的變化制作了曲線圖，通過數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和計算，并利用報表打印數(shù)據(jù)和圖像。 關(guān)鍵字：虛擬儀器 ;LabVIEW ;材料力學(xué) I Abstract Mechanics 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 Poisson's 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 Poisson's 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 錄 摘 要 I Abstract II 1 緒論 - 1 - 1.1 選題的理論意義和應(yīng)用價值 - 1 - 1.2 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究概況和發(fā)展趨勢 - 1 - 1.3 虛擬儀器的及LabVIEW - 2 - 1.4 本文主要內(nèi)容 - 3 - 2 拉伸模擬實(shí)驗(yàn) - 4 - 2.1 總體設(shè)計 - 4 - 2.2 主控界面實(shí)現(xiàn) - 5 - 2.3 拉伸實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) - 6 - 2.4 拉伸實(shí)驗(yàn)視頻 - 8 - 2.5 拉伸實(shí)驗(yàn)曲線圖 - 9 - 2.6 拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 - 10 - 2.7 報表生成實(shí)現(xiàn) - 11 - 3 彈性模量與泊松比的測定模擬實(shí)驗(yàn) - 13 - 3.1 總體設(shè)計 - 13 - 3.2 主控界面實(shí)現(xiàn) - 14 - 3.3 彈性模量和泊松比測定實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) - 15 - 3.4 彈性模量和泊松比測定實(shí)驗(yàn)視頻 - 17 - 3.5 彈性模量與泊松比測定曲線圖 - 18 - 3.6 彈性模量與泊松比的測定數(shù)據(jù)處理 - 19 - 3.7 報表生成實(shí)現(xiàn) - 20 - 4 梁的純彎曲正應(yīng)力模擬實(shí)驗(yàn) - 22 - 4.1 總體設(shè)計 - 22 - 4.2 主控界面實(shí)現(xiàn) - 23 - 4.3 梁的純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) - 24 - 4.4 梁的純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)視頻 - 26 - 4.5 梁的純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)曲線圖 - 27 - 4.6 梁的純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 - 29 - 4.7 報表生成實(shí)現(xiàn) - 30 - 結(jié) 論 - 32 - 參考文獻(xiàn) - 33 - 附錄A 外文資料譯文 - 35 - 附錄B 外文資料原文 - 41 - 致 謝 - 48 - IV 基于LabVIEW的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)研究 1 緒論 1.1 選題的理論意義和應(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(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性以及導(dǎo)致各種材料破壞的極限。一般是工科學(xué)生們的必修課，是一門常見的專業(yè)基礎(chǔ)課。實(shí)際操作能力是理工科學(xué)習(xí)要注意的重點(diǎn)，因此實(shí)驗(yàn)的完成質(zhì)量是學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。 但是現(xiàn)在學(xué)生的數(shù)量大量增加。導(dǎo)致了大量高校缺少必要的硬件設(shè)施，教師數(shù)量也大多無法保證教學(xué)質(zhì)量。購買實(shí)驗(yàn)設(shè)備要耗費(fèi)一筆巨款，每次實(shí)驗(yàn)也要損耗許多材料，因此無法滿足教學(xué)的需求。這是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最大阻礙。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(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。使學(xué)生有身臨其境的感覺。通過準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)基本知識，以圖片及文字的形式，包括目的、材料、原理、過程等，使使用者快速的了解實(shí)驗(yàn)的操作方法。這樣，使用者可以有條理的，迅速的操作實(shí)驗(yàn)。為了激發(fā)學(xué)生興趣，系統(tǒng)無需學(xué)生在特定的時間、特定的地點(diǎn)學(xué)習(xí)。可以通過隨時上網(wǎng)查閱數(shù)據(jù)庫等平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，便于學(xué)生的理解操作，極大地提高了學(xué)習(xí)效率。 因?yàn)樵谔摂M儀器中最常見也是最常用的是LabVIEW，因此本次設(shè)計使用LabVIEW編程。 1.2 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究概況和發(fā)展趨勢 如果不利用計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)進(jìn)行傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，就會被這個技術(shù)發(fā)展日新月異的年代所拋棄?，F(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)聯(lián)系在一起就產(chǎn)生了虛擬儀器。而在虛擬儀器中，LabVIEW是最強(qiáng)大的圖形化編程開發(fā)平臺。無縫地集成一整套方案不再是什么難題。LabVIEW 軟件為使用者提供了解決問題所需要的全部工具，簡化開發(fā)和使用通道連線是最新的功能，在循環(huán)間傳輸數(shù)據(jù)只需通過一條連線即可，不再使用隊列。最新的LabVIEW 格外上線了五種附加工具，因?yàn)槔貌僮飨到y(tǒng)的所有內(nèi)存，所以在開發(fā)和調(diào)試應(yīng)用時更加快捷。虛擬儀器具有靈活與經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，擁有良好的技術(shù)性能十分利于組成和改變儀器的功能，更高更新的測量課題和測量需求的提出，使得虛擬儀器成了發(fā)展科學(xué)技術(shù)和深化科學(xué)研究的突破口?？茖W(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域都會大量使用虛擬儀器。? 李偉，陳孟詩等人為本科生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在材料力學(xué)的研究實(shí)驗(yàn)中，矩形截面鋼梁的變形，疊層梁材料的變形拉伸變形,薄壁圓筒的扭轉(zhuǎn)變形，彎曲和扭轉(zhuǎn)變形和壓桿的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)裝置的邊界條件和壓桿組合成一體，使用組合式杠桿系統(tǒng)通過負(fù)載，子裝置用于手動裝載螺絲。設(shè)備之間的轉(zhuǎn)換相對獨(dú)立，通過改變不同的測試件，擴(kuò)展其實(shí)驗(yàn)功能，使用起來方便。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的負(fù)載，位移和應(yīng)變信號是多通道測試系統(tǒng)，經(jīng)過放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換，由計算機(jī)處理。通過材料力學(xué)多功能測試臺上的負(fù)載傳感器和應(yīng)變儀，通過多通道測量儀器獲取數(shù)據(jù)，將控制計算機(jī)從RS232通訊傳輸?shù)絇C端軟件[5]。具有實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊湊，操作方便，大大簡化了非常繁瑣的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作和實(shí)驗(yàn)過程中安裝的試件。 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。并且解決了隨著新材料不斷應(yīng)用于實(shí)際工程，主要完成低碳鋼和鑄鐵軸向拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)機(jī)器已經(jīng)無法滿足項目的需要。可以分別確定彎曲部件和彎曲部件的材質(zhì)和尺寸，并確定極限載荷。鋼板的拉伸實(shí)驗(yàn)，彎曲實(shí)驗(yàn)和彎曲實(shí)驗(yàn)主要由UG設(shè)計，得到試樣的極限載荷。在配備相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變計后，可以獲得彈性模量和泊松比，并獲得彎曲應(yīng)力公式以獲得彎曲和扭轉(zhuǎn)部分的應(yīng)力。使實(shí)驗(yàn)臺可以完成材料彈性模量和泊松比測量，彎曲力和彎曲在純彎曲測量下，彎曲和彎曲變形下的應(yīng)變測量功能[6]。 1.3 虛擬儀器的及LabVIEW 將計算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)有機(jī)結(jié)合后的革新性產(chǎn)物就是虛擬儀器（Virtual Instrumentation）系統(tǒng)。它利用已有的計算機(jī)，和一些專用的硬件（包括數(shù)據(jù)采集卡、PXI儀器、GPIB卡、VXI儀器、PLC、圖像集成卡、運(yùn)動控制卡等），在傳統(tǒng)儀器的諸多方面有了極大的突破，使用戶在維護(hù)、擴(kuò)展、更新、升級等方面有更好的體驗(yàn)。 1、LabVIEW簡介 LabVIEW是一種實(shí)用的工具，用于開發(fā)虛擬儀器，其外觀和操作和真實(shí)儀器非常相似，因此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬通過LabVIEW的圖形化編程進(jìn)行對實(shí)際力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的仿真。LabVIEW又稱VI，是一種虛擬儀器，其編程界面包括前面板和程序框圖兩個部分。 此外，它可以對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量分析，還可以采集信號，采集數(shù)據(jù)到儀器控制的顯示，從低端插件數(shù)據(jù)采集卡的圖像采集到運(yùn)動控制等諸多功能， 高端成熟信號調(diào)理系統(tǒng)模塊數(shù)據(jù)采集工具，可以顯示包括二維、三維的圖像。 LabVIEW有很多功能非常實(shí)用，無論是編程還是使用都很方便。 子VI為完成一個復(fù)雜的任務(wù)提供了可能。 普通的VI雖然不是只能完成一些簡單的功能，但是卻需要大量的編程空間和數(shù)不清的接線,不利于完成復(fù)雜編程[3]。我們可以把大任務(wù)分解成諸多小任務(wù)，完成編程后設(shè)為子程序。最后封裝在一起完成復(fù)雜任務(wù)。并且子VI的圖標(biāo)可以自己畫，調(diào)用時簡單明了，不會錯誤引用。 LabVIEW支持各種高級測試總線，如VXI / PXI / USB / IEEE1394，VISA，SCPI（編程儀器的標(biāo)準(zhǔn)命令），IVI，DataSocket等虛擬儀器軟件標(biāo)準(zhǔn)，LabVIEW本身已經(jīng)成為一種圖形化編程語言的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 2、LabVIEW特點(diǎn) 1）直觀、易學(xué)易用 與Visual C ++，Visual Basic等計算機(jī)編程語言相比，LabVIEW的圖形編程工具有一個重要的區(qū)別：基本不使用代碼行，而是使用G編程程序，這是一種圖形化編程語言， 程序代碼被框圖取締。 學(xué)時時間相對較短，可以很快應(yīng)用實(shí)踐，對于非軟件方面的從業(yè)人員的學(xué)習(xí)和使用極其簡單[4]。 2）通用編程系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)視圖的功能不受圖形編程的限制，其特點(diǎn)與編程系統(tǒng)相同。LabVIEW與一個大型函數(shù)庫相連，可以完成全部編程任務(wù)。 該庫可以控制串口，GPIB，有對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、顯示、存儲等一系列數(shù)據(jù)操作的能力。 LabVIEW可以進(jìn)行程序單步執(zhí)行，這需要設(shè)置斷點(diǎn)，并能用動畫顯示數(shù)據(jù)及其結(jié)果，易于調(diào)試程序，這和傳統(tǒng)的程序調(diào)試方法相同。 為了及時的觀察運(yùn)行中的數(shù)據(jù)和其規(guī)律，LabVIEW可以進(jìn)行動態(tài)地連續(xù)連續(xù)地跟蹤運(yùn)行，與其他編程相比更加方便高效。 3）模塊化? LabVIEW還具有模塊化功能。LabVIEW中的以小型模塊為基本節(jié)點(diǎn)，可以直接使用。另外，LabVIEW擁有大量的工具包，可以直接使用這些工具包與其他模塊互聯(lián)。 1.4 本文主要內(nèi)容 本系統(tǒng)通過LabVIEW實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)同時封裝了三個材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的全部內(nèi)容，包括拉伸實(shí)驗(yàn)、彈性模量與泊松比的測定實(shí)驗(yàn)梁的純彎曲正應(yīng)力的測定實(shí)驗(yàn)，足以滿足材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全部要求。在模擬系統(tǒng)中，通過讀取文檔并顯示的功能為學(xué)生制作了一份文字形式的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、所需儀器、實(shí)驗(yàn)具體過程一個不少[7]。同時插入實(shí)驗(yàn)臺與試件的圖片，使同學(xué)對其構(gòu)造及參數(shù)進(jìn)行了解。又通過視頻嵌入，為學(xué)生展示一個實(shí)驗(yàn)操作的全部過程，使學(xué)生全面具體的了解在實(shí)驗(yàn)室怎么做的。與此同時，利用xy圖功能，通過預(yù)先存儲的數(shù)據(jù)生成了實(shí)驗(yàn)的曲線圖，便于了解實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的變化，最后通過數(shù)據(jù)的處理，計算實(shí)驗(yàn)最終需求的物理量，從而完成整個實(shí)驗(yàn)。最后利用報表生成工具將這一切匯總起來，生成一份報表，供學(xué)生課后復(fù)習(xí)[8]。 2 拉伸模擬實(shí)驗(yàn) 2.1 總體設(shè)計 1、設(shè)計目標(biāo) 為了讓使用者仿佛在真正的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我們是用LabVIEW建立了非常寫實(shí)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)。通過準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)基本知識，以圖片及文字的形式，包括目的、材料、原理、過程等，使使用者快速的了解實(shí)驗(yàn)的操作方法。這樣，使用者可以有條理的，迅速的操作實(shí)驗(yàn)。為了激發(fā)學(xué)生興趣，系統(tǒng)無需學(xué)生在特定的時間、特定的地點(diǎn)學(xué)習(xí)?？梢酝ㄟ^隨時上網(wǎng)查閱數(shù)據(jù)庫等平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，便于學(xué)生的理解操作，極大地提高了學(xué)習(xí)效率[9]。 2、總體框架設(shè)計 （1）軟件模塊 軟件模塊主要是LabVIEW組成的。LabVIEW是一種類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但LabVIEW使用圖形化編程語言G語言編寫程序，產(chǎn)生的程序是文本而不是框圖[10]。LabVIEW像C或BASIC有一個可完成任何編程任務(wù)的龐大的函數(shù)庫，也是通用的編程系統(tǒng)。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)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實(shí)驗(yàn)報告打印模塊、有限元仿真模塊、視頻嵌入模塊。 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，是一個虛擬系統(tǒng)可以代替實(shí)際力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的基礎(chǔ)，可以是使用者在不接觸實(shí)驗(yàn)臺的情況下，仍能對實(shí)驗(yàn)有深刻認(rèn)識的重要保證，用它可以對拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬。 2)數(shù)據(jù)存儲模塊 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果存儲在虛擬儀器的系統(tǒng)中，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時進(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 對數(shù)據(jù)存儲模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)報告打印模塊 對實(shí)驗(yàn)的總體過程生成一份書面的實(shí)驗(yàn)報告，包括將實(shí)驗(yàn)存儲模塊內(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)[11]。 5)視頻嵌入模塊 將實(shí)驗(yàn)過程的完整視頻存入LabVIEW中，展示在人機(jī)交互界面。可以隨使用者的意愿自由進(jìn)行啟停。其中包括拉伸實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)臺的工作視頻一般為avi文件。 （2） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括以下幾個方面： 1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)的目的是說明該實(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)備中包括試件在內(nèi)的全部將要使用到的工具：電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)和游標(biāo)卡尺以及鋼尺，使使用者可以快速上手[12]； 3）實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟是使用者在了解實(shí)驗(yàn)原理后對原理進(jìn)行補(bǔ)充，可以使用者更加簡單的使用本實(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[13]。其具體內(nèi)容為測量試件的參數(shù)，然后根據(jù)試件的種類和具體參數(shù)進(jìn)行預(yù)估。安裝試件后開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 2.2 主控界面實(shí)現(xiàn) 因?yàn)樾枰M的實(shí)驗(yàn)有三個，并且要實(shí)驗(yàn)集成到一個程序中，所以需要在打開一個新的VI后，創(chuàng)建一個選項卡控件[14]。將控件設(shè)置為三個選項卡選項，注意將選項卡設(shè)為輸入控件，否則選項卡將在運(yùn)行時不能單擊切換。在此之后將所需要的控件安放在選項卡中，包括打開顯示實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)過程的按鈕控件，實(shí)驗(yàn)臺和試件的圖片，仿真實(shí)驗(yàn)的模擬或者實(shí)驗(yàn)視頻，x-y圖，數(shù)據(jù)顯示和輸入控件，生成報表的按鈕，調(diào)整它們的位置和外形時使主控界面符合使用習(xí)慣和保證美觀，圖2.1則完美的實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。 圖2.1 拉伸實(shí)驗(yàn)控制面板圖 2.3 拉伸實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 同低碳鋼相類似的具有明顯屈服現(xiàn)象的材料，應(yīng)測定其屈服強(qiáng)度。在屈服階段，若載荷是恒定的，則此時的應(yīng)力成為屈服強(qiáng)度。上屈服強(qiáng)度則是試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應(yīng)力，下屈服強(qiáng)度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(qiáng)度、上屈服強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度分別按式2.1、2.2、2.3計算。 （2.1） （2.2） （2.3） 屈服階段過后，要使試樣繼續(xù)變形，就必須增加載荷，此時進(jìn)入強(qiáng)化階段。試樣拉至斷裂，從拉伸圖上確定實(shí)驗(yàn)過程中的最大拉力值與原始橫截面值之比稱為抗拉強(qiáng)度。 （2.4） 在軟件方面，具體的實(shí)現(xiàn)過程為：打開一個新的VI作為子程序，彈出兩個新的界面，在界面之一的前面板中單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出控制選板，在控制選板中選擇文本顯示控件，在子選板中選擇字符串控件。最后在前面板生成的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)如下圖2.2-2.4所示。 圖2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膱D 圖2.3 實(shí)驗(yàn)儀器圖 圖2.4 實(shí)驗(yàn)過程圖 首先插入配置文件路徑，用于保存生成的文本文件，選擇保存了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)內(nèi)容TXT文件路徑之后將其轉(zhuǎn)換為常量，保證每次打開時不必重新選擇文件，并且打開的不會是錯誤的文件，放置1個字符串輸入控件。然后打開VI程序框圖，放置如下函數(shù)：1）寫入文本文件用以讀取文件內(nèi)容在文件顯示控件上顯示;2)關(guān)閉文件用以停止調(diào)用文件[15]，最終將各個控件和函數(shù)的接線端連接起來，并在寫入文本文件的函數(shù)上置常數(shù)-1，這樣可以讀取TXT文件的全部數(shù)據(jù)。將函數(shù)和控件整體用while循環(huán)框起來，自定義設(shè)置VI屬性事主程序調(diào)用時可以彈出。圖2.5展示了具體的函數(shù)、控件以及連線。 圖2.5 拉伸實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)程序圖 將子程序插入到主程序的方式如圖2.6展示，使用條件循環(huán)，設(shè)置為在單擊按鈕控件時將文本顯示的子程序彈出，調(diào)用顯示控件的“值”屬性節(jié)點(diǎn)，并將它設(shè)為常量[16]。 圖2.6 拉伸實(shí)驗(yàn)子程序圖 2.4 拉伸實(shí)驗(yàn)視頻 首先要安裝視頻插件，在安裝LabVIEW時是不會同時安裝本插件的，可到微軟官方網(wǎng)站下載。 在準(zhǔn)備工作全部完成后導(dǎo)入“ActiveX”控件，像圖2.7展示的那樣，在LabVIEW的前面板中創(chuàng)建一個“ActiveX?Container”容器[17]，插入視頻播放控件，與四個布爾控件。 圖2.7 拉伸實(shí)驗(yàn)視頻演示圖 然后切換到程序界面添加調(diào)用節(jié)點(diǎn)，將“Aplayer-ActiveX”輸出連接至調(diào)用節(jié)點(diǎn)，選擇“Open”；之后在前面板添加路徑選擇好視頻文件后將其轉(zhuǎn)換為常量，保證每次打開時不必重新選擇文件，并且打開的不會是錯誤的文件，程序框圖添加路徑一定要轉(zhuǎn)換為字符串才行，否則將不能正常的為控件連線和正確的讀取視頻文件。設(shè)置在前面板插入的四個個布爾控件（開始，停止，播放，暫停）。將開始控件連接在條件語句上控制視頻插件的運(yùn)行，再使用事件語句控制播放、停止和暫?？丶诒粏螕艉罂刂埔曨l的播放、停止和暫停，在事件語句中插入調(diào)用節(jié)點(diǎn)，播放置“play”，停止置“close”，暫停置“pause”。具體設(shè)置連線及循環(huán)按照圖2.8完成。 圖2.8 拉伸實(shí)驗(yàn)視頻演示程序圖 2.5 拉伸實(shí)驗(yàn)曲線圖 預(yù)先將實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存入TXT文檔中，將文檔內(nèi)的數(shù)據(jù)劃分為兩列，x坐標(biāo)和y坐標(biāo)分別放在這兩列，兩列之間用“Tab”鍵隔開。 在前面板插入x-y圖，如圖2.9所示，正確設(shè)置x，y軸所代表的數(shù)據(jù)x軸為變形，y軸是載荷。 圖2.9 拉伸實(shí)驗(yàn)曲線圖 使用讀取表格文件這一函數(shù)來進(jìn)行TXT文檔生成xy圖。在“讀取電子表格文件”控件右邊的讀取文件路徑處創(chuàng)建輸入控件，選擇好讀取的文件的路徑，正確連接端口，并將文件路徑轉(zhuǎn)換為常量，使得每次打開時不必重新選取，也不會打開錯誤文件。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換二維數(shù)組：利用函數(shù)分別將第一列和第二列數(shù)據(jù)分離出來。文件讀取及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到生成xy圖的函數(shù)及連線如圖2.10。 圖2.10 拉伸實(shí)驗(yàn)曲線圖程序圖 2.6 拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 為了使數(shù)據(jù)讀取更加精準(zhǔn)，并且增加實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)的互動性和可操作性，在拉伸試驗(yàn)?zāi)M的曲線圖上我們要進(jìn)行插值和在圖上讀出數(shù)據(jù)，因此我們需要用到三次樣條插值。 1、理論： 三次樣條插值Cubic Spline Interpolation（簡稱Spline插值）是通過一系列形值點(diǎn)的一條光滑曲線，數(shù)學(xué)上通過求解三彎矩方程組得出曲線函數(shù)組的過程。早期工程師制圖時，把富有彈性的細(xì)長木條（所謂樣條）用壓鐵固定在樣點(diǎn)上，在其他地方讓它自由彎曲，然后沿木條畫下曲線，稱為樣條曲線。 2、實(shí)現(xiàn)：運(yùn)用樣條插值和樣條內(nèi)插。樣條插值返回x值的樣條插值，給定(x[i], y[i])和通過樣條插值VI得到的二階導(dǎo)數(shù)插值。樣條內(nèi)插返回長度為n的內(nèi)插數(shù)組，包含樣條插值函數(shù)g(x)在點(diǎn)x[i]處的二階導(dǎo)數(shù)，i = 0, 1, …, n–1。兩者的方法選擇均為2，保證樣條在數(shù)據(jù)點(diǎn)上三次插值多項式的一階和二階導(dǎo)數(shù)也是連續(xù)的。給定用制表符分割的值，x處的值為yi = f(xi)，i = 0, 1, …, n - 1。VI通過樣條內(nèi)插（逐點(diǎn)）VI獲得作為二階導(dǎo)數(shù)的內(nèi)插。此類點(diǎn)由采樣長度指定的輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)組成，n為采樣點(diǎn)的總數(shù)。 全部的極限值均由曲線圖直接讀取。試樣拉斷后，則要計算伸長率和收縮率，斷后試件的長度和直徑由操作者測量后輸入。伸長率由公式 計算，收縮率由公式來計算。圖2.11是最后的計算結(jié)果。 圖2.11 拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理圖 強(qiáng)度值讀取的是曲線圖的y軸，就用xy圖創(chuàng)建“光標(biāo)”的“游標(biāo)y坐標(biāo)”的屬性節(jié)點(diǎn)來完成，將該屬性節(jié)點(diǎn)連接在數(shù)值顯示控件上，并創(chuàng)建條件語句，則可以在操作后加載強(qiáng)度數(shù)值。拉斷后試件的長度和直徑由操作者測量后輸入，將數(shù)值輸入控件與正確的算術(shù)符號及常量相連，計算出伸長率和收縮率后由顯示控件顯示在前面板上。計算方式和數(shù)據(jù)輸入及屬性節(jié)點(diǎn)如圖2.12。 圖2.12 拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序圖 2.7 報表生成實(shí)現(xiàn) 報表是實(shí)驗(yàn)的最后一步，整體的展示整個實(shí)驗(yàn)的全部數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的變化，其中包括屈服極限、上屈服極限，使用者輸入的試件長度及直徑，由此計算收縮率和伸長率，以及一份xy圖。圖2.13為我們展示了一份完整報表。 圖2.13 拉伸實(shí)驗(yàn)報表圖 首先創(chuàng)建一份模板文件，在正確的位置輸入文字，用以構(gòu)建報表。再為需要輸入數(shù)字以及存放xy圖的單元格命名，便于插入數(shù)字和曲線圖。將這份文件保存為模板。選擇其中的制表控件，正確設(shè)置控件[18]。分別創(chuàng)建數(shù)據(jù)的“值”屬性節(jié)點(diǎn)和xy圖的“導(dǎo)出圖像”調(diào)用節(jié)點(diǎn)。將這些節(jié)點(diǎn)按順序與報表控件相連，再創(chuàng)建條件語句，即可在運(yùn)行后生成報表。報表生成工具及“值”屬性鏈接如下圖2.14。 圖2.14 拉伸實(shí)驗(yàn)報表程序圖 3 彈性模量與泊松比的測定模擬實(shí)驗(yàn) 3.1 總體設(shè)計 1、設(shè)計目標(biāo) 課件的設(shè)計主要以LabVIEW作為開發(fā)平臺,為了使該課件界面逼真、便于操作，也同時使用了其他一些設(shè)計軟件,如Photoshop等。為了讓使用者仿佛在真正的進(jìn)行彈性模量實(shí)驗(yàn)，通過準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)基本知識，以圖片及文字的形式，包括目的、材料、原理、過程等，使使用者快速的了解實(shí)驗(yàn)的操作方法。這樣，使用者可以有條理的，迅速的操作實(shí)驗(yàn)。 2、總體框架設(shè)計 （1）軟件模塊 軟件模塊主要是LabVIEW組成的。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)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實(shí)驗(yàn)報告打印模塊、有限元仿真模塊、視頻嵌入模塊。 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，是一個虛擬系統(tǒng)可以代替實(shí)際力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的基礎(chǔ)，可以是使用者在不接觸實(shí)驗(yàn)臺的情況下，仍能對實(shí)驗(yàn)有深刻認(rèn)識的重要保證，它可以對彈性模量E及泊松比的測定實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬。 2)數(shù)據(jù)存儲模塊 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果存儲在虛擬儀器的系統(tǒng)中，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時進(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 對數(shù)據(jù)存儲模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)報告打印模塊 對實(shí)驗(yàn)的總體過程生成一份書面的實(shí)驗(yàn)報告，包括將實(shí)驗(yàn)存儲模塊內(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)視頻嵌入模塊 將實(shí)驗(yàn)過程的完整視頻存入LabVIEW中，展示在人機(jī)交互界面。可以隨使用者的意愿自由進(jìn)行啟停。對彈性模量E及泊松比的測定實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)視頻，一般為mp4文件。 （2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括以下幾個方面： 1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)的目的是說明彈性模量實(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)備中包括試件在內(nèi)的全部將要使用到的工具：材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(1) 主機(jī)(2)力/應(yīng)變 綜合參數(shù)測試儀和游標(biāo)卡尺，使使用者可以快速上手； 3）實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟是使用者在了解實(shí)驗(yàn)原理后對原理進(jìn)行補(bǔ)充，可其具體內(nèi)容為測量試件的參數(shù)，然后根據(jù)試件的種類和具體參數(shù)進(jìn)行預(yù)估。安裝試件后分別在-20mm、-10mm、0、10mm和20mm處加載初始為800N并以800N遞增直到4000N的力，共五組數(shù)據(jù)。 3.2 主控界面實(shí)現(xiàn) 將選項卡切換到彈性模量和彈性模量測定實(shí)驗(yàn)的界面，在此之后將顯示實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)過程的按鈕控件，實(shí)驗(yàn)臺和試件的圖片，仿真實(shí)驗(yàn)的模擬或者實(shí)驗(yàn)視頻，x-y圖，數(shù)據(jù)顯示和輸入控件，生成報表按鈕，調(diào)整它們的位置和外形使主控界面符合使用習(xí)慣和保證美觀。圖3.1則完美的實(shí)現(xiàn)了這點(diǎn)。 圖3.1 彈性模量與泊松比測定控制面板圖 3.3 彈性模量和泊松比測定實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 桿件受軸向拉伸時，在比例極限內(nèi)由胡克定律可知： 彈性模量： （3.1） 泊松比： （3.2） 由3.1式、3.2式可見，求E，需先測出線應(yīng)變，本實(shí)驗(yàn)采用電測靜應(yīng)變的方法，它是工程上最常用測定變形的方法之一。 本次實(shí)驗(yàn)在測試E，時，采用分段等間距加載法，即從初始拉力到最高拉力等分為若干級進(jìn)行讀數(shù)，其好處是可以避開初始時的系統(tǒng)影響，并能及時發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中是否有差錯，以及數(shù)據(jù)重復(fù)性和讀數(shù)差值的離散性如何，并觀察符合胡克定律的程度、這樣，應(yīng)以讀數(shù)的平均值計算E和： （3.3） （3.4） 在軟件方面，具體的實(shí)現(xiàn)過程為：打開一個新的VI作為子程序，彈出兩個新的界面，在其中一個界面前面板中單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出控制選板，在控制選板中選擇文本顯示控件，在子選板中選擇字符串控件。最后在前面板生成的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)如下圖3.2-3.4所示。 圖3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膱D 圖3.3實(shí)驗(yàn)儀器圖 圖3.3 實(shí)驗(yàn)過程圖 首先插入配置文件路徑，用于保存生成的文本文件，選擇保存了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)內(nèi)容TXT文件路徑之后將其轉(zhuǎn)換為常量，保證每次打開時不必重新選擇文件，并且打開的不會是錯誤的文件，放置1個字符串輸入控件[19]。然后打開VI程序框圖，放置如下函數(shù)：1）寫入文本文件用以讀取文件內(nèi)容在文件顯示控件上顯示;2)關(guān)閉文件用以停止調(diào)用文件，最終將各個控件和函數(shù)的接線端連接起來，并在寫入文本文件的函數(shù)上置常數(shù)-1，這樣可以讀取TXT文件的全部數(shù)據(jù)。將函數(shù)和控件整體用while循環(huán)框起來，自定義設(shè)置VI屬性事主程序調(diào)用時可以彈出。圖3.5展示了具體的函數(shù)、控件以及連線。 圖3.5 彈性模量與泊松比測定文字顯示程序圖 將子程序插入到主程序中，使用條件循環(huán)，設(shè)置為在單擊按鈕控件時將文本顯示的子程序彈出，圖3.6顯示了調(diào)用顯示控件的“值”屬性節(jié)點(diǎn)，并將它設(shè)為常量的方法。 圖3.6 彈性模量與泊松比測定子程序圖 3.4 彈性模量和泊松比測定實(shí)驗(yàn)視頻 在在前面板放置一個“ActiveX”控件，在LabVIEW的前面板中創(chuàng)建一個“ActiveX?Container”容器，插入視頻播放控件，與四個布爾控件。其排列方式按照圖3.7的方式較好。 圖3.7 彈性模量與泊松比測定視頻演示圖 然后切換到程序界面添加調(diào)用節(jié)點(diǎn)，將“Aplayer-ActiveX”輸出連接至調(diào)用節(jié)點(diǎn)，選擇“Open”；之后在前面板添加路徑選擇好視頻文件后將其轉(zhuǎn)換為常量，保證每次打開時不必重新選擇文件，并且打開的不會是錯誤的文件，程序框圖添加路徑一定要轉(zhuǎn)換為字符串才行，否則將不能正常的為控件連線和正確的讀取視頻文件。設(shè)置在前面板插入四個個布爾控件（開始，停止，播放，暫停）[20]。將開始控件連接在條件語句上控制視頻插件的運(yùn)行，再使用事件語句控制播放、停止和暫?？丶诒粏螕艉罂刂埔曨l的播放、停止和暫停，在事件語句中插入調(diào)用節(jié)點(diǎn)，播放置“play”，停止置“close”，暫停置“pause”。具體設(shè)置連線及循環(huán)按照圖3.8完成。 圖3.8 彈性模量與泊松比測定視頻演示程序圖 3.5 彈性模量與泊松比測定曲線圖 事先將實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)存入TXT文檔中，將要讀取的2個TXT文檔內(nèi)的數(shù)據(jù)的個數(shù)應(yīng)該是一樣的，把數(shù)據(jù)分成兩列，x坐標(biāo)和y坐標(biāo)分別放在兩列，兩列之間用“Tab”鍵隔開。 在前面板插入x-y圖，如圖3.9正確設(shè)置x，y軸所代表的數(shù)據(jù)。X軸為微應(yīng)變，y軸為載荷。兩條曲線分別是應(yīng)變片在兩個方向上的受力與應(yīng)變。 圖3.9 彈性模量與泊松比測定曲線圖 使用讀取表格文件這一函數(shù)來進(jìn)行TXT文檔生成xy圖。在“讀取電子表格文件”控件右邊的讀取文件路徑處創(chuàng)建輸入控件，選擇好讀取的文件的路徑，正確連接端口，并將文件路徑轉(zhuǎn)換為常量，使得每次打開時不必重新選取，也不會打開錯誤文件。將兩組數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換二維數(shù)組：利用函數(shù)分別將第一列和第二列數(shù)據(jù)分離出來。文件讀取及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到生成xy圖的函數(shù)及連線如圖3.10。 圖3.10 彈性模量與泊松比測定曲線圖程序圖 因?yàn)槭窃谕粋€曲線圖內(nèi)顯示兩條不同的曲線，因此需要創(chuàng)建矩陣，將兩個曲線的數(shù)據(jù)同時連接在矩陣上，將矩陣轉(zhuǎn)置后再由轉(zhuǎn)換至動態(tài)數(shù)據(jù)連接到xy圖上[21]。設(shè)置方式由圖3.11展示。 圖3.11 彈性模量與泊松比矩陣程序圖 3.6 彈性模量與泊松比的測定數(shù)據(jù)處理 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要計算彈性模量和泊松比，彈性模量由公式 計算，泊松比由公式來計算。其計算結(jié)果為圖3.12中顯示的值。 圖3.12 彈性模量與泊松比測定數(shù)據(jù)處理圖 將算術(shù)符號與正確的常量相連，計算出彈性模量和泊松比后由顯示控件顯示在前面板上。程序的計算公式的連接如3.13圖。 圖3.13 彈性模量與泊松比測定數(shù)據(jù)處理程序圖 3.7 報表生成實(shí)現(xiàn) 報表是實(shí)驗(yàn)的最后一步，整體的展示整個實(shí)驗(yàn)的全部數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的變化，其中包括彈性模量和泊松比，以及一份xy圖。實(shí)際的報表與圖3.14展示的相同。 圖3.14 彈性模量與泊松比測定報表圖 首先創(chuàng)建一份模板文件，在正確的位置輸入文字，用以構(gòu)建報表。再為需要輸入數(shù)字以及存放xy圖的單元格命名，便于插入數(shù)字和曲線圖。將這份文件保存為模板。選擇其中的制表控件，正確設(shè)置控件。分別創(chuàng)建數(shù)據(jù)的“值”屬性節(jié)點(diǎn)和xy圖的“導(dǎo)出圖像”調(diào)用節(jié)點(diǎn)。將這些節(jié)點(diǎn)按順序與報表控件相連，再創(chuàng)建條件語句，即可在運(yùn)行后生成報表。報表工具與“值”屬性節(jié)點(diǎn)照圖3.15連接。 圖3.15 彈性模量與泊松比測定報表程序圖 4 梁的純彎曲正應(yīng)力模擬實(shí)驗(yàn) 4.1 總體設(shè)計 1、設(shè)計目標(biāo) 由于材料力學(xué)覆蓋諸多力學(xué)理論，數(shù)學(xué)模型構(gòu)建困難，即使有比較好的算法，其計算量也將很大，并且耗時，為達(dá)到實(shí)時模擬仿真的目的，在設(shè)計上，材料力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模擬的方法。為了讓使用者仿佛在真正的進(jìn)行梁的純彎曲實(shí)驗(yàn)，我們是用LabVIEW建立了非常寫實(shí)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)。通過準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)基本知識，以圖片及文字的形式，包括目的、材料、原理、過程等，使使用者快速的了解實(shí)驗(yàn)的操作方法。這樣，使用者可以有條理的，迅速的操作實(shí)驗(yàn)。 2、總體框架設(shè)計 （1）軟件模塊 軟件模塊主要是LabVIEW組成的[22]。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)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實(shí)驗(yàn)報告打印模塊、有限元仿真模塊、視頻嵌入模塊。 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，是一個虛擬系統(tǒng)可以代替實(shí)際力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的基礎(chǔ)，可以是使用者在不接觸實(shí)驗(yàn)臺的情況下，仍能對實(shí)驗(yàn)有深刻認(rèn)識的重要保證，它可以對梁的純彎曲正應(yīng)力的測定實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬： 2)數(shù)據(jù)存儲模塊 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果存儲在虛擬儀器的系統(tǒng)中，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時進(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 對數(shù)據(jù)存儲模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)報告打印模塊 對實(shí)驗(yàn)的總體過程生成一份書面的實(shí)驗(yàn)報告，包括將實(shí)驗(yàn)存儲模塊內(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)康摹?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)視頻嵌入模塊 將實(shí)驗(yàn)過程的完整視頻存入LabVIEW中，展示在人機(jī)交互界面?？梢噪S使用者的意愿自由進(jìn)行啟停。其中包括梁的純彎曲正應(yīng)力的測定實(shí)驗(yàn)的有限元仿真視頻，一般為mp4文件。 （2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括以下幾個方面： 1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)的目的是說明梁的純彎曲正應(yīng)力實(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)備中包括試件在內(nèi)的全部將要使用到的工具：材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺:(1) 主機(jī)（2)力/應(yīng)變綜合參數(shù)測試儀與游標(biāo)卡尺和鋼尺，使使用者可以快速上手； 3）實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟是使用者在了解實(shí)驗(yàn)原理后對原理進(jìn)行補(bǔ)充，其具體內(nèi)容為測量試件的參數(shù)，然后根據(jù)試件的種類和具體參數(shù)進(jìn)行預(yù)估。安裝試件后分別在應(yīng)變片的兩側(cè)加載初始為1000N并以1000N遞增直到5000N的力，共五組數(shù)據(jù)。 4.2 主控界面實(shí)現(xiàn) 將選項卡切換梁的純彎曲實(shí)驗(yàn)界面，在此之后將所需要的控件分別安放在三個選項卡中，包括打開顯示實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)過程的按鈕控件，實(shí)驗(yàn)臺和試件的圖片，仿真實(shí)驗(yàn)的模擬或者實(shí)驗(yàn)視頻，x-y圖，數(shù)據(jù)顯示和輸入控件，生成報表的按鈕，調(diào)整它們的位置和外形時使主控界面符合使用習(xí)慣和保證美觀。圖4.1的排布方式則實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。 圖4.1 梁的純彎曲實(shí)驗(yàn)控制面板圖 4.3 梁的純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 由理論推導(dǎo)出梁純彎曲時橫截面上的正應(yīng)力公式為 （4.1） 實(shí)驗(yàn)測定的各點(diǎn)正應(yīng)力值為 （4.2） 在比例極限內(nèi)要對梁反復(fù)加荷測定，因而采取分段等間距加載讀測的方法觀察符合胡克定律的情況，并得到彎矩增量下的應(yīng)變增量，從而測定應(yīng)力值增量。式中 為i點(diǎn)應(yīng)變增量的各遍平均值。 （4.3） 與之相比較的理論值： （4.4） 如測定過程正常，則各遍應(yīng)變增量離散度應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。 在軟件方面，具體的實(shí)現(xiàn)過程為：打開一個新的VI作為子程序，彈出兩個新的界面，在其中一個界面前面板中單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出控制選板，在控制選板中選擇文本顯示控件，在子選板中選擇字符串控件[23]。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)運(yùn)行時應(yīng)與圖4.2-4.4相同。 圖4.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膱D 圖4.3 實(shí)驗(yàn)儀器圖 圖4.4 實(shí)驗(yàn)過程圖 首先插入配置文件路徑，用于保存生成的文本文件，選擇保存了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)內(nèi)容TXT文件路徑之后將其轉(zhuǎn)換為常量，保證每次打開時不必重新選擇文件，并且打開的不會是錯誤的文件，放置1個字符串輸入控件。然后打開VI程序框圖，放置如下函數(shù)：1）寫入文本文件用以讀取文件內(nèi)容在文件顯示控件上顯示;2)關(guān)閉文件用以停止調(diào)用文件，最終將各個控件和函數(shù)的接線端連接起來，并在寫入文本文件的函數(shù)上置常數(shù)-1，這樣可以讀取TXT文件的全部數(shù)據(jù)。將函數(shù)和控件整體用while循環(huán)框起來，自定義設(shè)置VI屬性事主程序調(diào)用時可以彈出。圖4.5展示了具體的函數(shù)、控件以及連線。 圖4.5 梁的純彎曲實(shí)驗(yàn)文字顯示程序圖 將子程序插入到主程序中，使用條件循環(huán)，設(shè)置為在單擊按鈕控件時將文本顯示的子程序彈出，圖4.6展示了如何調(diào)用顯示控件的“值”屬性節(jié)點(diǎn)，并將它設(shè)為常量。 圖4.6 梁的純彎曲實(shí)驗(yàn)子程序圖 4.4 梁的純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)視頻 在前面板插入一個“ActiveX”控件，在LabVIEW的前面板中創(chuàng)建一個“ActiveX?Container”容器，插入視頻播放控件，與四個布爾控件[24]。它們的排列方式請參照圖4.7。 圖4.7 梁的純彎曲實(shí)驗(yàn)視頻演示圖 然后切換到程序界面添加調(diào)用節(jié)點(diǎn)，將“Aplayer-ActiveX”輸出連接至調(diào)用節(jié)點(diǎn)，選擇“Open”；之后在前面板添加路徑選擇好視頻文件后將其轉(zhuǎn)換為常量，保證每次打開時不必重新選擇文件，并且打開的不會是錯誤的文件，程序框圖添加路徑一定要轉(zhuǎn)換為字符串才行，否則將不能正常的為控件連線和正確的讀取視頻文件。設(shè)置在前面板插入四個個布爾控件（開始，停止，播放，暫停）[25]。將開始控件連接在條件語句上控制視頻插件的運(yùn)行，再使用事件語句控制播放、停止和暫停控件在被單擊后控制視頻的播放、停止和暫停，在事件語句中插入調(diào)用節(jié)點(diǎn)，播放置“play”，停止置“close”，暫停置“pause”。具體設(shè)置連線及循環(huán)按照圖4.8完成。 圖4.8 梁的純彎曲實(shí)驗(yàn)視頻演示程序圖 4.5 梁的純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)曲線圖 將實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存入TXT文檔中，將要讀取的3個TXT文檔內(nèi)的數(shù)據(jù)的個數(shù)應(yīng)該是一樣的，把數(shù)據(jù)分成兩列，分別為x坐標(biāo)和y坐標(biāo)，兩列之間用“Tab”鍵隔開[26]。 在前面板插入x-y圖，按照圖4.9正確設(shè)置x，y軸所代表的數(shù)據(jù)。x軸為微應(yīng)變，y軸為載荷。3條曲線分別是應(yīng)變片0、10mm、20mm處的受力與應(yīng)變。 圖4.9 梁的純彎曲實(shí)驗(yàn)曲線圖 使用讀取表格文件這一函數(shù)來進(jìn)行TXT文檔生成xy圖。在“讀取電子表格文件”控件右邊的讀取文件路徑處創(chuàng)建輸入控件，選擇好讀取的文件的路徑，正確連接端口，并將文件路徑轉(zhuǎn)換為常量，使得每次打開時不必重新選取，也不會打開錯誤文件。將三組數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換二維數(shù)組：利用函數(shù)分別將第一列和第二列數(shù)據(jù)分離出來[27]。接線方式如圖4.10。 圖4.10 梁的純彎曲實(shí)驗(yàn)曲線圖程序圖 因?yàn)槭窃谕粋€曲線圖內(nèi)顯示兩條不同的曲線，因此需要創(chuàng)建矩陣，將兩個曲線的數(shù)據(jù)同時連接在矩陣上，將矩陣轉(zhuǎn)置后再由轉(zhuǎn)換至動態(tài)數(shù)據(jù)連接到xy圖上。設(shè)置方式由圖4.11展示。 圖4.11 梁的純彎曲實(shí)驗(yàn)矩陣程序圖 4.6 梁的純彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后由公式計算出五個實(shí)驗(yàn)值[28]。具體顯示為圖4.12中的5個數(shù)據(jù)。 圖4.12 梁的純彎曲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理圖 將算術(shù)符號與正確的常量相連，計算出五個實(shí)驗(yàn)值后由顯示控件顯示在前面板上。將數(shù)值代入公式，則程序?yàn)閳D4.13。 圖4.13 梁的純彎曲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序圖 4.7 報表生成實(shí)現(xiàn) 報表是實(shí)驗(yàn)的最后一步，整體的展示整個實(shí)驗(yàn)的全部數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的變化，其中5個經(jīng)過計算實(shí)驗(yàn)值以及一份xy圖。實(shí)際的報表與圖4.14展示的相同。 圖4.14 梁的純彎曲實(shí)驗(yàn)報表圖 首先創(chuàng)建一份模板文件，在正確的位置輸入文字，用以構(gòu)建報表。再為需要輸入數(shù)字以及存放xy圖的單元格命名，便于插入數(shù)字和曲線圖。將這份文件保存為模板。選擇其中的制表控件，正確設(shè)置控件。分別創(chuàng)建數(shù)據(jù)的“值”屬性節(jié)點(diǎn)和xy圖的“導(dǎo)出圖像”調(diào)用節(jié)點(diǎn)。將這些節(jié)點(diǎn)按順序與報表控件相連，再創(chuàng)建條件語句，即可在運(yùn)行后生成報表。報表生成工具及“值”屬性鏈接如下圖4.15。 圖4.15 梁的純彎曲實(shí)驗(yàn)報表程序圖 結(jié) 論 這是一個擁有強(qiáng)大的適用性功能的課題,本次設(shè)計有極大的使用價值，而且在發(fā)展方面仍有很大的進(jìn)步空間。本文分析總結(jié)了前人的研究，結(jié)合現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢，設(shè)計了基于LabVIEW的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，使用LabVIEW開發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)軟件，達(dá)到了預(yù)期的目的。 在課題設(shè)計論文的第一章中我詳細(xì)的介紹了虛擬儀器理論，包括虛擬儀器的介紹，它的特征與優(yōu)勢。并著重的對LabVIEW的發(fā)展、特征和優(yōu)勢以及本課題使用LabVIEW的好處進(jìn)行了介紹。虛擬儀器突破了傳統(tǒng)儀器的概念，是計算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。利用計算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大功能和突出的性價比，結(jié)合相應(yīng)的硬件，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸?shù)确矫娴南拗?，其特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)靈活，維護(hù)、擴(kuò)展、升級方便。 在接下來的第二章中，完成了低碳鋼軸向拉伸實(shí)驗(yàn)的模擬，介紹了拉伸實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)的外觀及操作方式，著重介紹了構(gòu)建該系統(tǒng)的過程與技術(shù)參數(shù)。其中的難點(diǎn)是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)生成了拉伸實(shí)驗(yàn)的曲線圖，并對曲線進(jìn)行了三次樣條插值處理，從曲線圖中可以通過光標(biāo)自動加載四個極限應(yīng)力值。 第三章完成了彈性模量與泊松比的測定實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，在第四章模擬了梁的純彎曲正應(yīng)力的測定實(shí)驗(yàn)，在模擬系統(tǒng)中，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹x器、實(shí)驗(yàn)過程來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。通過視頻嵌入，展示了實(shí)驗(yàn)過程，同時，為了便于了解實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的變化制作了曲線圖，尤其是在一個曲線圖中顯示多條曲線。通過數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和計算，并利用報表打印數(shù)據(jù)和圖像。 參考文獻(xiàn) [1]胡超, 程建鋼, 韓錫斌. 《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. 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