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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Questo lavoro è stato sostenuto in parte dai fondi di ricerca fondamentale per le università centrali nell'ambito della sovvenzione 2042022kf1059; la Nature Science Foundation della provincia di Hubei nell'ambito della sovvenzione 2022CFB757; la China Postdoctoral Science Foundation nell'ambito della sovvenzione 2022TQ0244; il finanziamento del progetto tecnologico sperimentale dell'Università di Wuhan nell'ambito della sovvenzione WHU-2021-SYJS-11; i progetti provinciali di insegnamento e ricerca nei college e nelle università della provincia di Hubei nel 2021 nell'ambito del Grant 2021038; e il progetto di ricerca di laboratorio provinciale nei college e nelle università della provincia di Hubei nell'ambito della sovvenzione HBSY2021-01.

In questo lavoro, le procedure dell'esperimento di frattura del fascio microcantilever con le crepe sono discusse come segue, che è aperto all'accesso gratuito tramite http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Tutte le fasi sono condotte nel sistema online basato sull'approccio della simulazione virtuale. Per questo studio non è stata richiesta l'approvazione dell'Institutional Review Board. Il consenso è stato ottenuto dagli studenti volontari che hanno preso parte a questo studio.
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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. K., Yin, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-situ+SEM+cyclic+nanoindentation+of+pre-sintered+and+sintered+zirconia+materials.">In-situ SEM cyclic nanoindentation of pre-sintered and sintered zirconia materials.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 126, 105068 (2022).</li><li>Nautiyal, P., Boesl, B., Agarwal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Challenges+during+in-situ+mechanical+testing:+Some+practical+considerations+and+limitations.">Challenges during in-situ mechanical testing: Some practical considerations and limitations.</a> In-situ Mechanics of Materials. , 227-238 (2020).</li><li>Nautiyal, P., Zhang, C., Loganathan, A., Boesl, B., Agarwal, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-temperature+mechanics+of+boron+nitride+nanotube+&amp;#34;Buckypaper&amp;#34;+for+engineering+advanced+structural+materials.">High-temperature mechanics of boron nitride nanotube &amp;#34;Buckypaper&amp;#34; for engineering advanced structural materials.</a> ACS Applied Nano Materials. 2 (7), 4402-4416 (2019).</li><li>Cao, W., 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=Correlations+between+microstructure,+fracture+morphology,+and+fracture+toughness+of+nanocrystalline+Ni-W+alloys.">Correlations between microstructure, fracture morphology, and fracture toughness of nanocrystalline Ni-W alloys.</a> Scripta Materialia. 113, 84-88 (2016).</li><li>Lei, Z., 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=Toward+a+web-based+digital+twin+thermal+power.">Toward a web-based digital twin thermal power.</a> IEEE Transactions on Industrial Informatics. 18 (3), 1716-1725 (2022).</li><li>Lei, Z., 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=From+virtual+simulation+to+digital+twins+in+online+laboratories.">From virtual simulation to digital twins in online laboratories.</a> 2021 40th Chinese Control Conference. , 8715-8720 (2021).</li><li>Dede, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Immersive+interfaces+for+engagement+and+learning.">Immersive interfaces for engagement and learning.</a> Science. 323 (5910), 66-69 (2009).</li><li>Sun, X., Liu, H., Wu, G., Zhou, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Training+effectiveness+evaluation+of+helicopter+emergency+relief+based+on+virtual+simulation.">Training effectiveness evaluation of helicopter emergency relief based on virtual simulation.</a> Chinese Journal of Aeronautics. 31 (10), 2000-2012 (2018).</li><li>Lei, Z., 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=Interactive+and+visualized+online+experimentation+system+for+engineering+education+and+research.">Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research.</a> Journal of Visualized Experiments. (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>

Uno dei vantaggi degli esperimenti di simulazione virtuale è che consentono agli utenti di condurre gli esperimenti senza preoccuparsi di danneggiare il sistema fisico o causare danni a se stessi11. Pertanto, gli utenti possono eseguire qualsiasi operazione, comprese le operazioni corrette o errate. Tuttavia, il sistema fornisce all'utente un messaggio di avviso integrato nell'esperimento interattivo per guidarlo a condurre correttamente gli esperimenti quando viene eseguita un'operazione errata....

La meccanica è una delle discipline di base dell'ingegneria, come dimostra l'enfasi posta sulle basi della meccanica matematica e delle conoscenze teoriche e l'attenzione data alla coltivazione delle abilità pratiche degli studenti. Con il rapido progresso della scienza e della tecnologia moderne, la nanoscienza e la tecnologia hanno avuto un enorme impatto sulla vita umana e sull'economia. Rita Colwell, ex direttrice della National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti, ha dichiarato nel 2002 che la tecnologia su scala nanometrica avrebbe avuto un impatto pari alla rivoluzione industriale1 e ha osservato che la nanotecnologia è davvero un portale per un nuovo mondo2. Le proprietà meccaniche dei materiali su scala nanometrica sono uno dei fattori più fondamentali e necessari per lo sviluppo di applicazioni high-tech, come i nano-dispositivi 3,4,5. Il comportamento meccanico dei materiali su scala nanometrica e l'evoluzione strutturale sotto stress sono diventati questioni importanti nell'attuale ricerca nanomeccanica.
Negli ultimi anni, lo sviluppo e il miglioramento della tecnologia di nanoindentazione, della tecnologia di microscopia elettronica, della microscopia a scansione di sonda, ecc., Hanno reso gli esperimenti di "meccanica in situ" una tecnica di test avanzata importante nella ricerca nanomeccanica 6,7. Ovviamente, dal punto di vista della didattica e della ricerca scientifica, è necessario introdurre tecniche sperimentali di frontiera nei contenuti didattici tradizionali riguardanti gli esperimenti meccanici.
Tuttavia, gli esperimenti di meccanica microscopica sono significativamente diversi dagli esperimenti di meccanica di base macroscopica. Da un lato, sebbene gli strumenti e le attrezzature pertinenti siano stati resi popolari in quasi tutti i college e le università, il loro numero è limitato a causa del prezzo elevato e dei costi di manutenzione. A breve termine, è impossibile acquistare abbastanza attrezzature per l'insegnamento offline. Anche se ci sono risorse finanziarie, i costi di gestione e manutenzione degli esperimenti offline sono troppo alti, poiché questo tipo di apparecchiatura ha caratteristiche di alta precisione.
D'altra parte, gli esperimenti di meccanica in situ come la microscopia elettronica a scansione (SEM) sono molto completi, con elevati requisiti operativi e un periodo sperimentale estremamente lungo 8,9. Gli esperimenti offline richiedono agli studenti di essere altamente concentrati per lungo tempo e il malfunzionamento può danneggiare lo strumento. Anche con individui molto qualificati, un esperimento di successo richiede alcuni giorni per essere completato, dalla preparazione di campioni qualificati al caricamento dei campioni per esperimenti di meccanica in situ. Pertanto, l'efficienza dell'insegnamento sperimentale offline è estremamente bassa.
Per risolvere i problemi di cui sopra, è possibile utilizzare la simulazione virtuale. Lo sviluppo dell'insegnamento dell'esperimento di simulazione virtuale può affrontare il collo di bottiglia in termini di costi e quantità delle apparecchiature sperimentali di meccanica in situ e, quindi, consentire agli studenti di utilizzare facilmente vari pezzi avanzati di attrezzature senza danneggiare gli strumenti ad alta tecnologia. L'insegnamento dell'esperimento di simulazione consente inoltre agli studenti di accedere alla piattaforma di esperimenti di simulazione virtuale via Internet sempre e ovunque. Anche per alcuni strumenti a basso costo, gli studenti possono utilizzare strumenti virtuali in anticipo per la formazione e la pratica, che possono migliorare l'efficienza dell'insegnamento.
Considerando l'accessibilità e la disponibilità di sistemi basati sul web10, in questo lavoro, presentiamo un sistema di sperimentazione di simulazione virtuale basato sul web che può fornire una serie di esperimenti relativi a operazioni fondamentali in meccanica e materiali, con particolare attenzione all'esperimento di meccanica in situ .

<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

Questo lavoro presenta una serie di esperimenti virtuali completi per rilevare la deformazione e il cedimento del materiale. Le apparecchiature più comunemente utilizzate nelle discipline meccaniche e dei materiali, come una macchina da taglio metallografica e una macchina per prove di scorrimento universale ad alta temperatura, sono integrate in un sistema basato sul web per fornire diversi servizi sperimentali agli utenti in un ambiente di apprendimento immersivo e interattivo. Il protocollo in questo lavoro è diviso in cinque sottosezioni, vale a dire, la preparazione dei materiali, lo stampaggio del campione, la caratterizzazione del campione, il caricamento del campione, l'installazione di nanoindentatori e gli esperimenti SEM in situ , e questo protocollo mira a fornire un'opportunità per gli utenti per quanto riguarda il riconoscimento di diverse apparecchiature e le operazioni corrispondenti, nonché il miglioramento della consapevolezza del laboratorio, ecc., utilizzando un approccio di simulazione virtuale. Per fornire una guida chiara per l'esperimento, il sistema evidenzia l'attrezzatura / campione da utilizzare nella fase successiva e contrassegna il percorso che conduce all'apparecchiatura con una freccia evidente. Per imitare l'esperimento pratico il più fedelmente possibile, abbiamo progettato e sviluppato una sala di laboratorio tridimensionale, attrezzature, operazioni e procedure sperimentali. Inoltre, il sistema virtuale considera anche esercizi interattivi e registrazione prima di utilizzare sostanze chimiche durante l'esperimento. Sono inoltre consentite operazioni errate, con conseguente messaggio di avviso che informa l'utente. Il sistema può fornire esperimenti interattivi e visualizzati agli utenti a diversi livelli.

Il sistema fornisce una guida chiara per le operazioni dell'utente. Innanzitutto, la formazione di livello principiante viene integrata quando un utente entra nel sistema. In secondo luogo, vengono evidenziate le attrezzature e la sala laboratorio da utilizzare per l'operazione successiva.
Il sistema può essere utilizzato per diversi scopi educativi per diversi livelli di studenti. Ad esempio, la Figura 1 include sette dei tipi di apparecchiature più comunemente...

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

Questo lavoro presenta un esperimento di simulazione virtuale tridimensionale per la deformazione e il cedimento del materiale che fornisce processi sperimentali visualizzati. Attraverso una serie di esperimenti, gli utenti possono familiarizzare con le apparecchiature e apprendere le operazioni in un ambiente di apprendimento immersivo e interattivo.

Un esperimento di simulazione virtuale di meccanica: deformazione e guasto del materiale basato sulla microscopia elettronica a scansione

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

Il sistema può essere utilizzato per istruire i nostri studenti nei protocolli sperimentali, nell'uso delle attrezzature e nella verifica teorica, consentendo loro di migliorare ripetutamente le loro operazioni e le competenze di laboratorio. Un lato di esperimenti di simulazione virtuale tridimensionale può essere condotto per rilevare la deformazione del materiale e il cedimento senza timore di danneggiare il sistema fisico o ferirsi. Dopo aver effettuato l'accesso e l'accesso all'interfaccia, seguire le indicazioni fornite nell'immagine per raggiungere virtualmente la macchina di prova universale ad alta temperatura e posizionare i campioni di stack tra i morsetti a piastre della macchina.Una volta evidenziato il computer virtuale sul lato sinistro della macchina di test, fare clic sul computer virtuale e impostare lo schema di test sul computer di controllo della macchina. Quindi fare clic sull'apparecchiatura di riscaldamento e pompaggio del vuoto evidenziata e accendere l'alimentatore. Aprire la pompa meccanica virtuale e la valvola di supporto nell'interfaccia facendo clic sui rispettivi pulsanti evidenziati per completare le impostazioni di controllo del vuoto del sistema.Sul pannello di controllo della macchina di prova universale dello scorrimento, fare clic sul pulsante Cancella per cancellare i dati, seguito da un clic sul pulsante Esegui per completare l'esperimento di copia del modello sullo stampo sulla lamiera utilizzando il metodo di stampaggio a compressione della piastra parallela. Dopo aver completato la colata dello stampo, fare nuovamente clic sul computer virtuale e controllare i dati sperimentali sul computer di controllo della macchina di prova universale dello scorrimento. Aprire la piastra di copertura sulla macchina metallografica per l'intarsio del campione e posizionare il campione.Per versare la polvere preparata, fare clic sul polimetilmetacrilato evidenziato o sulla polvere di PMMA. Quindi fare clic sullo stampo evidenziato per posizionarlo sopra la polvere PMMA. Quindi, fare clic sul volantino evidenziato e regolare la posizione dello stampo per coprire automaticamente la piastra di copertura.Fare clic sul pulsante on, off per accendere la macchina intarsio. Estrarre il campione di PMMA intarsiato dopo il raffreddamento. Entrare nella stanza per la lucidatura e la corrosione seguendo la guida del percorso mostrata nell'immagine.Trova la lucidatrice evidenziata e fai clic sulla pinza della macchina per montare il campione intarsiato sulla pinza. Impostare la velocità per macinare e lucidare il campione rimuovendo il substrato del materiale stampato. Macinare lo stampo su un lato fino a quando il motivo sullo stampo è esposto.Per eseguire la caratterizzazione dei campioni, aprire virtualmente l'armadio di stoccaggio chimico ed estrarre l'idrossido di potassio solido. Fare clic sul becher evidenziato e sull'idrossido di potassio solido per la preparazione del liquido di corrosione per ottenere una soluzione di idrossido di potassio al 10%. Selezionare la soluzione di idrossido di potassio evidenziata e il campione per corrodere la scala in un campione metallografico.Quindi, pulire il campione dopo aver rimosso il substrato di silicio ed eseguire un test caratterizzato con un campione preparato al microscopio ottico. Caricare il campione sullo stadio di campionamento del nanopenetratore e scegliere il cono e il penetratore per montarlo sul driver del sistema di test micro e nano meccanica. Fare clic sull'unità evidenziata per collegarla al nanoindenter.Dopo aver installato il nanopenetratore e caricato il campione nel software di controllo SEM, fare clic sul pulsante di sfiato. Aprire la camera SEM dopo aver rotto il vuoto, installare il nanopenetratore sullo stadio di campionamento SEM e collegare i fili come mostrato nell'immagine. Quindi aprire il software di controllo del nanopenetratore e selezionare in sequenza l'intervallo di penetratori caricato.Selezionare il protocollo sperimentale. Avviare il controller e init per avviare l'inizializzazione della fase di esempio. Dopo l'inizializzazione, chiudere la camera SEM e fare clic sul pulsante della pompa sul software di controllo SEM.Quindi, fare clic sul pulsante su o giù nel software di controllo SEM per regolare la posizione dello stadio campione lungo il campo visivo SEM. Correggi la posizione facendo clic sul pulsante OK. Accendere la pistola elettronica selezionando il pulsante EHT evidenziato.Passare alla modalità di osservazione al microscopio elettronico selezionando il pulsante della fotocamera. Infine, fai clic su esegui sul software di controllo nanoindenter. Per terminare l'esperimento, fare clic sul pulsante di arresto sul software di controllo del nanoindenter.Il sistema ha migliorato la progettazione dello schema sperimentale combinandolo con le operazioni, fornendo una convalida immediata. Ad esempio, quando l'utente ha scelto la direzione di posizionamento del campione, l'interfaccia per l'utilizzo della macchina metallografica per l'intarsio del campione ha mostrato i risultati. Allo stesso modo, analizzando il tempo di spostamento risultante e le curve di deformazione da sforzo da un esperimento meccanico interno di una trave micro a sbalzo con crepe presenti, l'utente ha potuto determinare come sono stati ottenuti i risultati.Nello scenario simulato, gli studenti hanno dovuto valutare le dimensioni del carico e il tempo di caricamento in base al rapporto lunghezza/diametro del campione da preparare prima di condurre esperimenti reologici, invece dell'approccio di prova ed errore spesso utilizzato. Inoltre, con l'esercizio integrato che segue gli esperimenti, gli utenti potrebbero rivedere sistematicamente l'intero processo dell'esperimento e collegare la teoria con la sperimentazione. Utilizzando la simulazione virtuale basata sul web, gli studenti hanno completato in media l'esperimento in circa 73 minuti, verificando l'efficienza dell'approccio.I risultati degli esami online di due gruppi di studenti di ingegneria meccanica hanno mostrato che quelli con l'esperienza dell'interfaccia virtuale hanno ottenuto risultati migliori rispetto a quelli senza, dimostrando ulteriormente l'efficienza dell'approccio. Questo ha insegnato agli studenti l'interesse per la ricerca e il senso di innovazione addestrandoli a padroneggiare le tecniche di test, il metodo e i principi di esperimenti meccanici avanzati di micro e nano abilità.

Research

JoVE Journal

Engineering

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Scansione-sonda a singolo elettrone Capacità Spettroscopia

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

Ricerca

Ingegneria

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Metodi sperimentali per le indagini di memoria di forma a base processi di raffreddamento Elastocaloric e validazione del modello

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

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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

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

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Le sfide in reologico Caratterizzazione di sospensioni altamente concentrato - un caso di studio per la serigrafia paste d&#39;argento

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