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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Este trabajo fue apoyado en parte por los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales bajo la Subvención 2042022kf1059; la Fundación de Ciencias de la Naturaleza de la provincia de Hubei bajo la subvención 2022CFB757; la Fundación de Ciencias Postdoctorales de China bajo la Subvención 2022TQ0244; la financiación del Proyecto de Tecnología Experimental de la Universidad de Wuhan en virtud de la subvención WHU-2021-SYJS-11; los Proyectos Provinciales de Enseñanza e Investigación en los Colegios y Universidades de la Provincia de Hubei en 2021 bajo la Subvención 2021038; y el Proyecto de Investigación de Laboratorio Provincial en los Colegios y Universidades de la Provincia de Hubei bajo la Subvención HBSY2021-01.

En este trabajo, los procedimientos del experimento de fractura de haz microcantilever con grietas se discuten de la siguiente manera, que está abierto para el libre acceso a través de http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Todos los pasos se llevan a cabo en el sistema en línea basado en el enfoque de simulación virtual. No se requirió la aprobación de la Junta de Revisión Institucional para este estudio. Se obtuvo el consentimiento de los estudiantes voluntarios que participaron en este estudio.
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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>

Una de las ventajas de los experimentos de simulación virtual es que permiten a los usuarios realizar los experimentos sin preocuparse por dañar el sistema físico o causarse ningún daño a sí mismos11. Por lo tanto, los usuarios pueden realizar cualquier operación, incluidas las operaciones correctas o incorrectas. Sin embargo, el sistema le da al usuario un mensaje de advertencia que está integrado en el experimento interactivo para guiarlo a realizar los experimentos correctamente cuando ...

La mecánica es una de las disciplinas básicas en ingeniería, como lo demuestra el énfasis puesto en la base de la mecánica matemática y el conocimiento teórico y la atención prestada al cultivo de las habilidades prácticas de los estudiantes. Con el rápido avance de la ciencia y la tecnología modernas, la nanociencia y la tecnología han tenido un gran impacto en la vida humana y la economía. Rita Colwell, ex directora de la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (NSF), declaró en 2002 que la tecnología a nanoescala tendría un impacto igual al de la Revolución Industrial1 y señaló que la nanotecnología es verdaderamente un portal hacia un nuevo mundo2. Las propiedades mecánicas de los materiales a nanoescala son uno de los factores más fundamentales y necesarios para el desarrollo de aplicaciones de alta tecnología, como los nanodispositivos 3,4,5. El comportamiento mecánico de los materiales a nanoescala y la evolución estructural bajo estrés se han convertido en temas importantes en la investigación nanomecánica actual.
En los últimos años, el desarrollo y la mejora de la tecnología de nanoindentación, la tecnología de microscopía electrónica, la microscopía de sonda de barrido, etc., han hecho de los experimentos de "mecánica in situ" una técnica de prueba avanzada importante en la investigación en nanomecánica 6,7. Obviamente, desde la perspectiva de la enseñanza y la investigación científica, es necesario introducir técnicas experimentales de frontera en el contenido docente tradicional sobre experimentos mecánicos.
Sin embargo, los experimentos de mecánica microscópica son significativamente diferentes de los experimentos de mecánica básica macroscópica. Por un lado, aunque los instrumentos y equipos relevantes se han popularizado en casi todos los colegios y universidades, su número es limitado debido al alto precio y costo de mantenimiento. A corto plazo, es imposible comprar suficiente equipo para la enseñanza fuera de línea. Incluso si hay recursos financieros, los costos de gestión y mantenimiento de los experimentos fuera de línea son demasiado altos, ya que este tipo de equipo tiene características de alta precisión.
Por otro lado, los experimentos de mecánica in situ como la microscopía electrónica de barrido (SEM) son muy completos, con altos requisitos operacionales y un período experimental extremadamente largo 8,9. Los experimentos fuera de línea requieren que los estudiantes estén muy concentrados durante mucho tiempo, y el mal funcionamiento puede dañar el instrumento. Incluso con individuos muy hábiles, un experimento exitoso requiere unos días para completarse, desde la preparación de especímenes calificados hasta la carga de los especímenes para experimentos de mecánica in situ. Por lo tanto, la eficiencia de la enseñanza experimental fuera de línea es extremadamente baja.
Para abordar los problemas anteriores, se puede utilizar la simulación virtual. El desarrollo de la enseñanza de experimentos de simulación virtual puede abordar el cuello de botella de costo y cantidad de equipos experimentales de mecánica in situ y, por lo tanto, permite a los estudiantes usar fácilmente varios equipos avanzados sin dañar los instrumentos de alta tecnología. La enseñanza de experimentos de simulación también permite a los estudiantes acceder a la plataforma de experimentos de simulación virtual a través de Internet en cualquier momento y en cualquier lugar. Incluso para algunos instrumentos de bajo costo, los estudiantes pueden usar instrumentos virtuales por adelantado para la capacitación y la práctica, lo que puede mejorar la eficiencia de la enseñanza.
Teniendo en cuenta la accesibilidad y disponibilidad de los sistemas basados en la web10, en este trabajo, presentamos un sistema de experimentación de simulación virtual basado en la web que puede proporcionar un conjunto de experimentos relacionados con operaciones fundamentales en mecánica y materiales, con un enfoque en el experimento de mecánica 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

Este trabajo presenta un conjunto de experimentos virtuales integrales para detectar la deformación y falla del material. Los equipos más utilizados en las disciplinas de mecánica y materiales, como una máquina de corte metalográfico y una máquina de prueba de fluencia universal de alta temperatura, están integrados en un sistema basado en la web para proporcionar diferentes servicios experimentales a los usuarios en un entorno de aprendizaje inmersivo e interactivo. El protocolo en este trabajo se divide en cinco subsecciones, a saber, la preparación de los materiales, el moldeo de la muestra, la caracterización de la muestra, la carga de muestras, la instalación de nanoindentadores y los experimentos SEM in situ , y este protocolo tiene como objetivo brindar una oportunidad a los usuarios con respecto al reconocimiento de diferentes equipos y las operaciones correspondientes, así como la mejora de la conciencia del laboratorio, etc., utilizando un enfoque de simulación virtual. Para proporcionar una guía clara para el experimento, el sistema resalta el equipo / muestra que se utilizará en el siguiente paso y marca el camino que conduce al equipo con una flecha visible. Para imitar el experimento práctico lo más cerca posible, diseñamos y desarrollamos una sala de laboratorio tridimensional, equipos, operaciones y procedimientos experimentales. Además, el sistema virtual también considera ejercicios interactivos y registro antes de usar productos químicos durante el experimento. También se permiten operaciones incorrectas, lo que resulta en un mensaje de advertencia que informa al usuario. El sistema puede proporcionar experimentos interactivos y visualizados a los usuarios en diferentes niveles.

El sistema proporciona una guía clara para las operaciones del usuario. En primer lugar, el entrenamiento de nivel principiante se integra cuando un usuario ingresa al sistema. En segundo lugar, se destacan el equipo y la sala de laboratorio que se utilizará para la operación del siguiente paso.
El sistema se puede utilizar para varios propósitos educativos diferentes para diferentes niveles de estudiantes. Por ejemplo, la Figura 1 incluye siete de los tipos d...

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

Este trabajo presenta un experimento de simulación virtual tridimensional para la deformación y falla del material que proporciona procesos experimentales visualizados. A través de un conjunto de experimentos, los usuarios pueden familiarizarse con el equipo y aprender las operaciones en un entorno de aprendizaje inmersivo e interactivo.

Un experimento virtual de simulación de mecánica: deformación y falla de material basado en microscopía electrónica de barrido

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

El sistema se puede utilizar para instruir a nuestros estudiantes en protocolos experimentales, uso de equipos y verificación teórica, lo que les permite mejorar repetidamente sus operaciones y las habilidades de laboratorio. Se pueden realizar experimentos de simulación virtual tridimensionales para detectar la deformación del material y la falla sin temor a dañar el sistema físico o lesionarse. Después de acceder e ingresar a la interfaz, siga las instrucciones proporcionadas en la imagen para llegar virtualmente a la máquina de prueba de fluencia universal de alta temperatura y coloque las muestras de pila entre las abrazaderas de placa de la máquina.Una vez que se resalte la computadora virtual en el lado izquierdo de la máquina de prueba, haga clic en la computadora virtual y establezca el esquema de prueba en la computadora de control de la máquina. Luego haga clic en el equipo de calefacción y bombeo de vacío resaltado y encienda la fuente de alimentación. Abra la bomba mecánica virtual y la válvula de respaldo en la interfaz haciendo clic en los botones resaltados respectivos para completar la configuración del control de vacío del sistema.En el panel de control de la máquina de prueba de fluencia universal, haga clic en el botón borrar para borrar los datos, luego haga clic en el botón de ejecución para completar el experimento de copiar el patrón en el molde a la lámina de metal utilizando el método de moldeo por compresión de placa paralela. Después de completar la fundición del molde, haga clic en la computadora virtual nuevamente y verifique los datos experimentales en la computadora de control de la máquina de prueba de fluencia universal. Abra la placa de cubierta en la máquina de incrustación de muestras metalográficas y coloque la muestra.Para verter el polvo preparado, haga clic en el polimetacrilato de metilo resaltado o polvo de PMMA. Luego haga clic en el molde resaltado para colocarlo encima del polvo de PMMA. A continuación, haga clic en la rueda de mano resaltada y ajuste la posición del molde para cubrir la placa de cubierta automáticamente.Haga clic en el botón de encendido, apagado para encender la máquina de incrustación. Saque la muestra de PMMA incrustada después de enfriarla. Ingrese a la sala para pulido y corrosión siguiendo la guía de la vía que se muestra en la imagen.Busque la máquina pulidora resaltada y haga clic en la pinza de la máquina para montar la muestra incrustada en la pinza. Establezca la velocidad para moler y pulir la muestra eliminando el sustrato de material moldeado. Moler el molde por un lado hasta que el patrón en el molde quede quede expuesto.Para realizar la caracterización de la muestra, abra virtualmente el gabinete de almacenamiento de productos químicos y saque el hidróxido de potasio sólido. Haga clic en el vaso de precipitados resaltado y el hidróxido de potasio sólido para la preparación de líquidos de corrosión para hacer una solución de hidróxido de potasio al 10%. Seleccione la solución de hidróxido de potasio resaltada y la muestra para corroer la escalera en una muestra metalográfica.A continuación, limpie la muestra después de retirar el sustrato de silicio y realice una prueba caracterizada con una muestra preparada bajo un microscopio óptico. Cargue la muestra en la etapa de muestra del nanopenetrador y elija el cono y el penetrador para montarlo en el controlador del sistema de prueba de micro y nanomecánica. Haga clic en la unidad resaltada para conectarla con el nanoindentador.Después de instalar el nanoindentador y cargar la muestra en el software de control SEM, haga clic en el botón de ventilación. Abra la cámara SEM después de romper el vacío, instale el nanoindentador en la etapa de muestra SEM y conecte los cables como se muestra en la imagen. Luego abra el software de control del nanoindentador y seleccione secuencialmente el rango de penetrador cargado.Seleccione el protocolo experimental. Inicie el controlador e inicie para iniciar la inicialización de la etapa de ejemplo. Después de la inicialización, cierre la cámara SEM y haga clic en el botón de la bomba en el software de control SEM.A continuación, haga clic en el botón arriba o abajo en el software de control SEM para ajustar la posición de la etapa de muestra a lo largo del campo de visión SEM. Fije la posición haciendo clic en el botón Aceptar. Encienda el cañón de electrones seleccionando el botón EHT resaltado.Cambie al modo de observación de microscopía electrónica seleccionando el botón de la cámara. Finalmente, haga clic en ejecutar en el software de control nanoindentador. Para finalizar el experimento, haga clic en el botón de parada en el software de control del nanoindentador.El sistema mejoró el diseño del esquema experimental combinándolo con las operaciones, proporcionando una validación instantánea. Por ejemplo, a medida que el usuario elegía la dirección de colocación de la muestra, la interfaz para usar la máquina de incrustación de muestras metalográficas mostraba los resultados. Del mismo modo, al analizar el tiempo de desplazamiento resultante y las curvas de deformación de tensión del experimento de un mecánico interno de una viga en voladizo micro con grietas presentes, el usuario pudo determinar cómo se obtuvieron los resultados.En el escenario simulado, los estudiantes tuvieron que evaluar el tamaño de la carga y el tiempo de carga de acuerdo con la relación longitud / diámetro de la muestra que se preparará antes de realizar un experimento reológico, en lugar del enfoque de prueba y error utilizado a menudo. Además, con el ejercicio integrado después de los experimentos, los usuarios podrían revisar sistemáticamente todo el proceso del experimento y conectar la teoría con la experimentación. Usando la simulación virtual basada en la web, los estudiantes en promedio completaron el experimento en aproximadamente 73 minutos, verificando la eficiencia del enfoque.Los resultados del examen en línea de dos grupos de estudiantes de ingeniería mecánica mostraron que aquellos con la experiencia de interfaz virtual se desempeñaron mejor que aquellos sin ella, lo que demuestra aún más la eficiencia del enfoque. Esto tiene a los estudiantes de enseñanza el interés de investigación y el sentido de la innovación al entrenarlos para dominar las técnicas de prueba, el método y los principios de los experimentos mecánicos avanzados de micro y nano habilidad.

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