Name: a virtual simulation experiment of mechanics: material deformation and failure based on scanning electron microscopy
Uploaded: 2023-01-20T13:50:00
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Diese Arbeit wurde teilweise durch die Grundlagenforschungsfonds für die Zentraluniversitäten im Rahmen des Grants 2042022kf1059 unterstützt; die Nature Science Foundation der Provinz Hubei im Rahmen des Zuschusses 2022CFB757; die China Postdoctoral Science Foundation im Rahmen des Stipendiums 2022TQ0244; die Finanzierung des Wuhan University Experiment Technology Project im Rahmen des Stipendiums WHU-2021-SYJS-11; die Lehr- und Forschungsprojekte der Provinzen an den Hochschulen und Universitäten der Provinz Hubei im Jahr 2021 im Rahmen von Grant 2021038; und das Provincial Laboratory Research Project in den Colleges und Universitäten der Provinz Hubei im Rahmen des Stipendiums HBSY2021-01.

In dieser Arbeit werden die Verfahren des Mikrocantilever-Strahlbruchexperiments mit Rissen wie folgt diskutiert, das über http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd frei zugänglich ist. Alle Schritte werden im Online-System auf Basis des virtuellen Simulationsansatzes durchgeführt. Die Genehmigung des Institutional Review Board war für diese Studie nicht erforderlich. Die Zustimmung der studentischen Freiwilligen, die an dieser Studie teilgenommen haben, wurde eingeholt.
1. Zugr...

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	<li>Chong, K., Chuang, T. J., Anderson, P. M., Wu, M. K., Hsieh, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nano+mechanics/materials+research.">Nano mechanics/materials research.</a> Nanomechanics of Materials and Structures. , 13-22 (2006).</li><li>Ratner, B. 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Z., Basak, A. 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(177), e63342 (2021).</li><li>Gal&#225;n, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Safe+experimentation+in+optical+levitation+of+charged+droplets+using+remote+labs.">Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs.</a> Journal of Visualized Experiments. (143), e58699 (2019).</li><li>Ouyang, S. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Unity3D-based+interactive+three-dimensional+virtual+practice+platform+for+chemical+engineering.">A Unity3D-based interactive three-dimensional virtual practice platform for chemical engineering.</a> Computer Applications in Engineering Education. 26 (1), 91-100 (2018).</li></ol>

Einer der Vorteile virtueller Simulationsexperimente besteht darin, dass sie es den Benutzern ermöglichen, die Experimente durchzuführen, ohne befürchten zu müssen, das physische System zu beschädigen oder sich selbst Schaden zuzufügen11. Auf diese Weise können Benutzer beliebige Vorgänge ausführen, einschließlich richtiger oder falscher Vorgänge. Das System gibt dem Benutzer jedoch eine Warnmeldung, die in das interaktive Experiment integriert ist, um ihn bei einer falschen Operation z...

Die Mechanik ist eine der Grunddisziplinen des Ingenieurwesens, wie die Betonung der Grundlagen der mathematischen Mechanik und des theoretischen Wissens sowie die Aufmerksamkeit für die Kultivierung der praktischen Fähigkeiten der Studierenden zeigen. Mit dem rasanten Fortschritt der modernen Wissenschaft und Technologie haben Nanowissenschaften und -technologie einen enormen Einfluss auf das menschliche Leben und die Wirtschaft. Rita Colwell, die ehemalige Direktorin der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF), erklärte 2002, dass die nanoskalige Technologie einen ähnlichen Einfluss haben würde wie die industrielle Revolution1 und stellte fest, dass die Nanotechnologie wirklich ein Portal zu einer neuen Weltist 2. Die mechanischen Eigenschaften von Materialien auf der Nanoskala sind einer der grundlegendsten und notwendigsten Faktoren für die Entwicklung von High-Tech-Anwendungen, wie z. B. Nanobauelementen 3,4,5. Das mechanische Verhalten von Materialien auf der Nanoskala und die strukturelle Entwicklung unter Belastung sind zu wichtigen Themen in der aktuellen nanomechanischen Forschung geworden.
In den letzten Jahren haben die Entwicklung und Verbesserung der Nanoindentationstechnologie, der Elektronenmikroskopie, der Rastersondenmikroskopie usw. dazu geführt, dass "In-situ-Mechanik"-Experimente zu einer fortschrittlichen Testtechnik geworden sind, die für die Nanomechanik-Forschung wichtig ist 6,7. Offensichtlich ist es aus der Perspektive der Lehre und der wissenschaftlichen Forschung notwendig, experimentelle Grenztechniken in die traditionellen Lehrinhalte in Bezug auf mechanische Experimente einzuführen.
Experimente der mikroskopischen Mechanik unterscheiden sich jedoch signifikant von makroskopischen grundlegenden mechanischen Experimenten. Obwohl die entsprechenden Instrumente und Geräte in fast allen Hochschulen und Universitäten populär geworden sind, ist ihre Anzahl aufgrund des hohen Preises und der hohen Wartungskosten begrenzt. Kurzfristig ist es unmöglich, genügend Ausrüstung für den Offline-Unterricht zu kaufen. Selbst wenn finanzielle Ressourcen vorhanden sind, sind die Verwaltungs- und Wartungskosten von Offline-Experimenten zu hoch, da diese Art von Geräten hochpräzise Eigenschaften aufweist.
Auf der anderen Seite sind in situ mechanische Experimente wie die Rasterelektronenmikroskopie (REM) sehr umfangreich, mit hohen Betriebsanforderungen und einer extrem langen Versuchsdauer 8,9. Offline-Experimente erfordern, dass die Schüler über einen längeren Zeitraum hochkonzentriert sind, und eine Fehlbedienung kann das Instrument beschädigen. Selbst mit sehr erfahrenen Personen dauert ein erfolgreiches Experiment einige Tage, von der Vorbereitung qualifizierter Proben bis zum Laden der Proben für mechanische In-situ-Experimente. Daher ist die Effizienz des experimentellen Offline-Unterrichts äußerst gering.
Um die oben genannten Probleme zu lösen, kann eine virtuelle Simulation verwendet werden. Die Entwicklung des Unterrichts in virtuellen Simulationsexperimenten kann den Kosten- und Mengenengpass von In-situ-Mechanik-Versuchsgeräten beheben und es den Schülern so ermöglichen, verschiedene fortschrittliche Geräte problemlos zu verwenden, ohne High-Tech-Instrumente zu beschädigen. Die Lehre von Simulationsexperimenten ermöglicht es den Studierenden zudem, jederzeit und überall über das Internet auf die virtuelle Simulationsexperimentplattform zuzugreifen. Selbst bei einigen kostengünstigen Instrumenten können die Schüler virtuelle Instrumente im Voraus für Training und Praxis verwenden, was die Unterrichtseffizienz verbessern kann.
Unter Berücksichtigung der Zugänglichkeit und Verfügbarkeit webbasierter Systeme10 stellen wir in dieser Arbeit ein webbasiertes virtuelles Simulationsexperimentiersystem vor, das eine Reihe von Experimenten im Zusammenhang mit grundlegenden Operationen in Mechanik und Materialien bereitstellen kann, wobei der Schwerpunkt auf dem In-situ-Mechanik-Experiment liegt.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Virtual interface</td>
			<td>None</td>
			<td>None</td>
			<td>http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a virtual simulation experiment of mechanics: material deformation and failure based on scanning electron microscopy

Diese Arbeit stellt eine Reihe umfassender virtueller Experimente vor, um Materialverformungen und -versagen zu erkennen. Die in der Mechanik und in den Werkstoffdisziplinen am häufigsten verwendeten Geräte, wie z. B. eine metallographische Schneidemaschine und eine Hochtemperatur-Universal-Kriechprüfmaschine, sind in ein webbasiertes System integriert, um den Benutzern verschiedene experimentelle Dienste in einer immersiven und interaktiven Lernumgebung anzubieten. Das Protokoll in dieser Arbeit ist in fünf Unterabschnitte unterteilt, nämlich die Vorbereitung der Materialien, das Formen der Probe, die Charakterisierung der Probe, die Probenbeladung, die Installation von Nanoindentern und REM-In-situ-Experimente , und dieses Protokoll zielt darauf ab, den Benutzern die Möglichkeit zu geben, verschiedene Geräte und die entsprechenden Vorgänge zu erkennen sowie das Laborbewusstsein zu verbessern. usw., unter Verwendung eines virtuellen Simulationsansatzes. Um eine klare Anleitung für das Experiment zu geben, hebt das System die im nächsten Schritt zu verwendende Ausrüstung/Probe hervor und markiert den Weg, der zum Gerät führt, mit einem auffälligen Pfeil. Um das praktische Experiment so genau wie möglich nachzuahmen, haben wir einen dreidimensionalen Laborraum, Geräte, Operationen und experimentelle Verfahren entworfen und entwickelt. Darüber hinaus berücksichtigt das virtuelle System auch interaktive Übungen und Registrierungen, bevor Chemikalien während des Experiments verwendet werden. Fehlerhafte Vorgänge sind ebenfalls zulässig, was zu einer Warnmeldung führt, die den Benutzer informiert. Das System kann Benutzern interaktive und visualisierte Experimente auf verschiedenen Ebenen zur Verfügung stellen.

Das System bietet eine klare Anleitung für die Bedienung des Benutzers. Zunächst wird ein Training auf Anfängerniveau integriert, wenn ein Benutzer das System betritt. Zweitens werden die Geräte und der Laborraum hervorgehoben, die für den nächsten Schritt der Operation verwendet werden sollen.
Das System kann für verschiedene Bildungszwecke für verschiedene Schülerstufen verwendet werden. Zum Beispiel enthält Abbildung 1 sieben der am ...

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A Virtual Simulation Experiment of Mechanics: Material Deformation and Failure Based on Scanning Electron Microscopy

Diese Arbeit stellt ein dreidimensionales virtuelles Simulationsexperiment für Materialverformung und -versagen vor, das visualisierte experimentelle Prozesse liefert. Durch eine Reihe von Experimenten können sich die Benutzer mit den Geräten vertraut machen und die Bedienung in einer immersiven und interaktiven Lernumgebung erlernen.

Ein virtuelles Simulationsexperiment der Mechanik: Materialverformung und -versagen anhand der Rasterelektronenmikroskopie

This work presents a set of comprehensive virtual experiments to detect material deformation and failure. The most commonly used pieces of equipment in ...

Das System kann verwendet werden, um unsere Studenten in experimentellen Protokollen, der Verwendung von Geräten und der theoretischen Überprüfung zu unterweisen, so dass sie ihre Operationen und die Laborfähigkeiten wiederholt verbessern können. Eine Seite von dreidimensionalen virtuellen Simulationsexperimenten kann durchgeführt werden, um die Materialverformung und das Versagen zu erkennen, ohne befürchten zu müssen, das physikalische System zu beschädigen oder sich selbst zu verletzen. Befolgen Sie nach dem Zugriff auf und dem Betreten der Schnittstelle die Anweisungen im Bild, um die Hochtemperatur-Universal-Kriechprüfmaschine virtuell zu erreichen, und platzieren Sie die Stapelproben zwischen den Plattenklemmen der Maschine.Sobald der virtuelle Computer auf der linken Seite der Prüfmaschine markiert ist, klicken Sie auf den virtuellen Computer und legen Sie das Testschema auf dem Steuercomputer der Maschine fest. Klicken Sie dann auf die markierten Heiz- und Vakuumpumpen und schalten Sie die Stromversorgung ein. Öffnen Sie die virtuelle mechanische Pumpe und das Vorlaufventil in der Benutzeroberfläche, indem Sie auf die jeweils hervorgehobenen Schaltflächen klicken, um die Einstellungen für die Systemvakuumsteuerung abzuschließen.Klicken Sie auf dem Bedienfeld der universellen Zeitstandprüfmaschine auf die Schaltfläche "Löschen", um die Daten zu löschen, und klicken Sie anschließend auf die Schaltfläche "Ausführen", um das Experiment zum Kopieren des Musters auf der Form auf das Blech mit dem parallelen Plattenformpressverfahren abzuschließen. Klicken Sie nach Abschluss des Formgusses erneut auf den virtuellen Computer und überprüfen Sie die Versuchsdaten auf dem Steuerrechner der Universal-Zeitstandprüfmaschine. Öffnen Sie die Abdeckplatte der metallographischen Probeneinlegemaschine und legen Sie die Probe ein.Um das vorbereitete Pulver zu gießen, klicken Sie auf das hervorgehobene Polymethylmethacrylat oder PMMA-Pulver. Klicken Sie dann auf die markierte Form, um sie auf das PMMA-Pulver zu legen. Klicken Sie anschließend auf das markierte Handrad und passen Sie die Position der Form an, um die Abdeckplatte automatisch abzudecken.Klicken Sie auf die Ein- und Aus-Taste, um die Einlegemaschine einzuschalten. Nehmen Sie die eingelegte PMMA-Probe nach dem Abkühlen heraus. Betreten Sie den Raum zum Polieren und Korrosion und befolgen Sie die auf dem Bild gezeigte Wegführung.Suchen Sie die hervorgehobene Poliermaschine und klicken Sie auf den Greifer der Maschine, um die eingelegte Probe am Greifer zu montieren. Stellen Sie die Geschwindigkeit zum Schleifen und Polieren der Probe ein, indem Sie das geformte Materialsubstrat entfernen. Schleifen Sie die Form auf einer Seite, bis das Muster auf der Form freigelegt ist.Um die Probencharakterisierung durchzuführen, öffnen Sie den Chemikalienvorratsschrank virtuell und entnehmen Sie das feste Kaliumhydroxid. Klicken Sie auf das hervorgehobene Becherglas und das feste Kaliumhydroxid für die Korrosionsflüssigkeit, um eine 10%ige Kaliumhydroxidlösung herzustellen. Wählen Sie die hervorgehobene Kaliumhydroxidlösung und die Probe aus, um die Leiter in eine metallographische Probe zu korrodieren.Als nächstes reinigen Sie die Probe nach dem Entfernen des Siliziumsubstrats und führen einen charakterisierten Test mit einer vorbereiteten Probe unter einem optischen Mikroskop durch. Laden Sie die Probe auf den Probentisch des Nano-Eindringkörpers und wählen Sie den Kegel und den Eindringkörper, um sie am Treiber des mikro- und nanomechanischen Prüfsystems zu montieren. Klicken Sie auf das markierte Laufwerk, um es mit dem Nanoindenter zu verbinden.Nachdem Sie den Nanoindenter installiert und die Probe in die REM-Steuerungssoftware geladen haben, klicken Sie auf die Entlüftungstaste. Öffnen Sie die REM-Kammer, nachdem Sie das Vakuum gebrochen haben, installieren Sie den Nanoindenter auf dem REM-Probentisch und schließen Sie die Drähte wie in der Abbildung gezeigt an. Öffnen Sie dann die Steuerungssoftware des Nanoindenters und wählen Sie nacheinander den Bereich des geladenen Eindringkörpers aus.Wählen Sie das experimentelle Protokoll aus. Starten Sie den Controller und init, um die Initialisierung der Sample-Phase zu initiieren. Schließen Sie nach der Initialisierung die REM-Kammer und klicken Sie auf die Schaltfläche Pumpe in der REM-Steuerungssoftware.Klicken Sie anschließend in der REM-Steuerungssoftware auf die Aufwärts- oder Abwärtstaste, um die Position des Probentisches entlang des REM-Sichtfelds anzupassen. Korrigieren Sie die Position, indem Sie auf die Schaltfläche OK klicken. Schalten Sie die Elektronenkanone ein, indem Sie die markierte EHT-Taste auswählen.Wechseln Sie in den Elektronenmikroskopie-Beobachtungsmodus, indem Sie die Kamerataste auswählen. Klicken Sie abschließend in der nanoindenter-Steuerungssoftware auf Ausführen. Um das Experiment zu beenden, klicken Sie auf die Stopp-Taste in der Steuerungssoftware des Nanoindenters.Das System verbesserte das Design des experimentellen Schemas, indem es es mit den Operationen kombinierte und eine sofortige Validierung ermöglichte. Als der Benutzer beispielsweise die Platzierungsrichtung der Probe wählte, zeigte die Schnittstelle für die Verwendung der metallographischen Probeneinlegemaschine die Ergebnisse an. In ähnlicher Weise konnte der Benutzer durch die Analyse der resultierenden Verschiebungszeit und der Spannungs-Dehnungs-Kurven aus dem Experiment eines Innenmechanikers mit einem Mikro-Cantilever-Balken mit vorhandenen Rissen bestimmen, wie die Ergebnisse erzielt wurden.Im simulierten Szenario mussten die Studenten die Ladungsgröße und die Belastungszeit anhand des Längen-Durchmesser-Verhältnisses der zu präparierenden Probe bewerten, bevor sie ein rheologisches Experiment durchführten, anstatt den häufig verwendeten Trial-and-Error-Ansatz zu verwenden. Darüber hinaus konnten die Benutzer mit integrierten Übungen im Anschluss an die Experimente den gesamten Experimentprozess systematisch überprüfen und die Theorie mit dem Experiment verbinden. Mit der webbasierten virtuellen Simulation absolvierten die Studierenden das Experiment im Durchschnitt in etwa 73 Minuten und überprüften die Effizienz des Ansatzes.Die Online-Prüfungsergebnisse von zwei Gruppen von Studenten der technischen Mechanik zeigten, dass diejenigen mit der Erfahrung mit der virtuellen Schnittstelle besser abschnitten als diejenigen ohne, was die Effizienz des Ansatzes weiter demonstriert. Dies hat den Studenten Forschungsinteresse und den Sinn für Innovation vermittelt, indem sie darin geschult werden, die Testtechniken, Methoden und Prinzipien fortgeschrittener mechanischer Experimente mit Mikro- und Nanofähigkeiten zu beherrschen.

Research

JoVE Journal

Engineering

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Scanning-Probe-Einzel-Elektronen-Spektroskopie Kapazität

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

Forschung

Ingenieurwesen

Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation

Experimentelle Methoden zur Untersuchung von Formgedächtnis-Based Elastocaloric Kühlprozesse und Modellvalidierung

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor ...

Simulation of Human-induced Vibrations Based on the Characterized In-field Pedestrian Behavior

Simulation von Menschen verursachte Schwingungen Basierend auf dem Gekennzeichnet In-Bereich Fußgängerverhalten

For slender and lightweight structures, vibration serviceability is a matter of growing concern, often constituting the critical design requirement. With ...

In Depth Analyses of LEDs by a Combination of X-ray Computed Tomography (CT) and Light Microscopy (LM) Correlated with Scanning Electron Microscopy (SEM)

In Depth Analyses of LEDs by a Combination of X-ray Computed Tomography CT and Light Microscopy LM Correlated with Scanning Electron Microscopy SEM

In Tiefenanalysen der LEDs durch eine Kombination von Röntgen Computertomographie (CT) und Lichtmikroskopie (LM) korrelierte mit Rasterelektronenmikroskopie (SEM)

In failure analysis, device characterization and reverse engineering of light emitting diodes (LEDs), and similar electronic components of ...

Comprehensive Characterization of Extended Defects in Semiconductor Materials by a Scanning Electron Microscope

Umfassende Charakterisierung von ausgedehnten Defekten in Halbleitermaterialien durch ein Rasterelektronenmikroskop

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications ...

Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface

Hand kontrollierte Manipulation einzelner Moleküle über ein Rastersondenmikroskop mit einer 3D-Virtual-Reality-Schnittstelle

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

Studium dynamischer Prozesse von Nano-Größe Objekte in Liquid Scanning Transmission Electron Micros mit

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

Precision Milling of Carbon Nanotube Forests Using Low Pressure Scanning Electron Microscopy

Präzisionsfräsen von Carbon Nanotube Wälder Verwendung von Niederdruck-Rasterelektronenmikroskopie

A nanoscale fabrication technique appropriate for milling carbon nanotube (CNT) forests is described. The technique utilizes an environmental scanning ...

Challenges in Rheological Characterization of Highly Concentrated Suspensions &#8212; A Case Study for Screen-printing Silver Pastes

Challenges in Rheological Characterization of Highly Concentrated Suspensions ÃƒÆ’Ã‚Â¢ÃƒÂ¢Ã¢â‚¬Å¡Ã‚Â¬ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã‚Â A Case Study for Screen-printing Silver Pastes

Herausforderungen in rheologische Charakterisierung von hochkonzentrierten Suspensionen - Eine Fallstudie für Serigrafie Silberpasten

A comprehensive rheological characterization of highly concentrated suspensions or pastes is mandatory for a targeted product development meeting the ...

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Under the design conditions of a research reactor, the siphon phenomenon induced by pipe rupture can cause continuous outward flow of water. To prevent ...