力学实验毕业论文

1、1绪论1.1研究背景伴随着教育教学改革的不断深化及国家对教育投入的持续增长，国内实验教学软硬件建设和装备条件都有了很大程度的改善，这些变化都为高校带来了难得的发展机遇。但传统实验教学在发展的同时也面临着严峻的挑战：1）时间和空间的约束。不管何种类型的实验，实验教学都必须在指定的实验室中进行，否则根本无法进行。现在高校普遍采取与实验指导老师商定实验时间后，确定每个实验开课的时间范围，学生在此范围内预约实验的方法来安排实验教学以期缓解时间和空间的约束。2)有效的实验仪器数量严重不足。早期的基础建设投入不足加之仪器设备量少、陈旧并且维修周期长，给实验教学的正常开展设置了重重障碍，影响学习者动手能力的

2、提高。3)实验教学内容陈旧、教学手段比较落后。传统实验大都采取课堂教学的灌输方式，学生的依赖行为比较明显，不利于培养学生的创新能力，亦不能达到预期的实验效果。进入数字化信息化时代的二十一世纪，虚拟现实技术已成为许多领域进行系统分析和设计的重要技术手段，虚拟现实技术应用从基于HMD(Head-Mounted Display)和数据手套等硬件的医疗、教育、艺术、娱乐、及军事等传统领域到制造业、机器人领域及信息可视化的新型虚拟现实技术应用，虚拟现实正不断地改变着人们的日常学习与生活1。1.2问题的提出三维建模技术的崛起以及虚拟现实技术的出现，为生产设计和创新提供了一种非常好的工作平台。人们可以直接从

3、三维概念和构思入手，通过模型仿真来分析和评价设计方案的可行性与可靠性。随着三维建模理论的日趋成熟，出现了许多优秀的建模技术与软件，其应用领域也越来越广泛。在教育方面，现阶段社会对人才的要求升高，各高校对学生的教育也作出很大努力。培养专业理论更扎实，实践能力更强的优秀人才，是学校与社会的期望。而对于理工类专业，尤其是力学专业的教学离不开实验教学，实验教学可以把抽象的数字与理论转换成形象的图形数据，并让学生参与整个实验的过程，使其亲身感受实验，深化学生对所学知识的理解，再结合理论知识，勤加思考，便能较为轻松而且更扎实的掌握所学专业知识。但是很多实验的成本都非常高，很多仪器的购置、实验使用、保养，都

4、需要很多资金。尤其很多破坏性实验，都需要很多昂贵的试件。学校在这个问题上一直很矛盾，一方面是学生的学习，一方面是高昂的经费。基于此，本文在研究三维建模技术同时利用3dsmax建模软件，来对辽宁工程技术大学力学实验室中实验装置的虚拟建模。让学生通过虚拟实验就能轻松了解实验装置及实验过程。1.3论文的主要工作及技术路线本文在研究三维建模技术的基础上，对三维建模技术的分类，应用领域，未来发展等问题进行研究。并主要使用三维建模软3dsmax来对辽宁工程技术大学力学实验室实验（包括有理论力学实验、材料力学实验、振动力学实验）装置进行建模及实验动画制作，对3dsmax三维制作软件的特点进行探讨研究。制作前

5、考虑实验装置及功能要求，对力学各项实验都做简要介绍，认清重点环节，以使得作出的模型及动画更具展示及教学意义。每个实验制作完成后，都进行讨论，论述其满足目标的什么程度，是否能达到设计的目标。制作的过程重点环节将详细介绍，进而在研究三维建模技术，介绍了3dsmax软件的同时，制作出所有力学实验所用仪器的模型及实验动画。在以后的教学中做实验展示。1）具体完成工作：a、材料力学实验装置、实验步骤和实验结果虚拟建模。b、振动力学实验装置、实验步骤和实验结果虚拟建模。2）技术路线：a、搜集查阅文献资料，整理国内外研究有关三维建模的发展现状，比较各种建模技术的特 点。b、对3dsmax进行实际操作练习，深入

6、学习其建模、材质、灯光、渲染、动画等各功能。c、与实验老师交流学习，了解各实验的主要步骤，并据此构思仪器模型的组装及动画要点。d、细化之前的构思，来实现每一组实验的仪器建模及动画的完整过程。2三维虚拟建模技术本章将详细阐述三维建模技术的分类，虚拟实验三维建模原则与建模技术的选择，建模技术的研究现状及发展趋势，并对三维动画技术简要介绍。2.1三维建模技术分类三维建模技术的类别有很多中，这里主要从物体的特性上分，将三维建模分为三维实体建模与三维动画建模。2.1.1三维实体建模三维实体建模和真实物体类似，不仅有表面物性，且有体积，重心、质量、转动惯量与实体物理属性，是三维设计中最常用和典型的模型。三

7、维实体可以通过相互切割、合并、交叉（差、并、交、集）等布尔运算，得到复杂的形体模型，能进行消隐。实体模型不仅具有面和线的特征，而且还具有实体的特征，如体积块、重心和惯性矩等。获得三维模型的方法有很多种，最简单的方法是给平面形状定义一个厚度，用户应根据具体情况选择不同的模型类型和建模方法16。三维实体造型有许多优点，从渲染效果表达上看：能上色，可通过材料赋值、设置灯光和场景得到十分逼真的渲染效果图；从物理分析上看：三维实体具有质量、重心等物理特性，可用专门软件进行受力、运动、热效应等分析。目前使用较广泛的三维实体设计软件有：UG、Pro/E、Catia、Inventor、CAXA Solid2。

8、2.1.2三维动画建模与实体造型建模不同的是三维动画建模。实体造型建模强调结构，而三维动画建模强调外观。大多数实体设计软件都是基于实体核心的，而几乎所有的动画建模软件都是基于曲面核心的。目前使用较广泛的三维动画建模软件有：3dsmax、XSI、C4D、Alias2.2虚拟实验三维建模原则与建模技术的选择2.2.1三维建模的原则建立有效的虚拟环境，主要集中在两个方面：一是用虚拟环境精确表示物体的状态模型；二是环境的可视化表示即渲染出的景象。强调影像的原因在于其主要的信息获取途径来自于视觉。在虚拟实验的开发中，三维模型的精确建立发挥着至关重要的作用。高仿真度的三维模型可以真实再现实验场景、仪器外观

9、甚至内部结构，给学习者以良好的沉浸感，获得如同甚至超过真实实验环境中的学习感受和体验。在虚拟实验三维模型的创建过程中如何把握模型的仿真程度，对虚拟现实系统能否成功实现有很大影响，因为它涉及了开发的软硬件成本以及现有的运行环境、条件等因素的限制。仿真程度恰当的三维实验模型有利于虚拟实验发挥出更大的教学优势。 基于网络的虚拟实验先天上会受到网络运行速度的影响，所以在系统开发过程中要充分考虑如何控制网络传输的数据流量，亦即尽可能在保证实现实验教学目标的前提下降低整个场景的数据量。体现在三维建模过程中，则为控制整个虚拟场景的多边形数量。在三维建模过程中力图遵循如下原则： 1）真实合理原则：建模的过程实

10、际上是一个对对象的物理表象的模拟过程。做完实验分析后进行的虚拟实验场景的设计及模型的建立必须符合真实合理的原则，维持原对象所固有的空间及物理关系，如此才能符合建构主义创设情境的思想，达到同化和顺应的目的。 2）去除模型的冗余多边形原则：减少模型的多边形浪费是一个软件系统的基本任务之一。对于预先设定的观察视点，对象的背面、被其他对象阻挡的面以及对象内部的面都属于无用的冗余面。三维模型建成后对多余的面、 看不见的背面应直接删除，尽量减少冗余多边形，以降低整个场景的多边形数目，做到最优化。 3）主次分明原则：依据心理学知识，人的感觉超过一定的阀值后，虚拟场景再逼真也没有感觉上的意义了。比如在 3ds

11、max中建立一个圆柱体模型，当周边的分割段数超过 32，视觉效果不会随着分割段数的增加再有多大的改观。超过感觉阀值后， 再增加精度只会增加计算机浮点运算的时间，降低制作效率。所以在虚拟视觉场景构建中力图突出主体对象，保证整个场景faces总数适中的情况下令主体对象模型尽量准确精细，可适当降低背景等次对象的精细程度。 4）尽量使用简单建模方式，避免不兼容原则：由于经常涉及建模工具间的数据交换，建模过程中应少用复杂命令建模，少用复杂修改方式修改对象，尽量避免格式转换时出错。少用曲面曲线建模，建模工具中对曲线和曲面的处理一般采用数学的方式记录模型的顶点及其它向量特征，各类建模工具内部对曲线的计算和记

12、录方式的差别会导致数据交换时采用大量的三角形面片拟合曲线或曲面，拟合过程中多边形数目会急剧增加，因此在建模过程中为降低模型数据量，要尽量少用曲面建模。5）精细程度适度，避免过分强调细节原则：虚拟现实系统中的建模是整个虚拟现实系统建立的基础。为了给使用者创建一个能使其感受到身临其境、逼真的环境，就需要创建尽可能逼真的模型和虚拟场景。因为在视觉传达领域，要想传递信息，表达感情，首先得借助能唤人们经验的视觉图像。这个视觉图像必须是人们所经验的，准确认知是一切视觉营造手段所必须具备的。数学模型建立的好坏直接影响到精度、操作的便利性等。但是，模型和场景过于精细，数据量过于庞大，将给虚拟现实系统带来灾难，

13、尤其是比较复杂的场景。在虚拟现实系统中建模，应该在保证必须的模型质量情况下做到数据量尽量小，以保证虚拟现实应用系统的运行效率17。 尽量以纹理映射方式来解决模型数据量大的问题：纹理映射一般是指为了显示表面几何无法表示的细节特征，而改变对象表面逐渐变化的属性的方法。简单来说，纹理映射技术就是把位图贴在多边形上，给简单平坦的多边形表面增加细节表现和梯度暗示。可以映射到物体表面的属性包括色泽、材质、光线跟踪特征等，从虚拟对象表面反射的光线方向真实展现对象的纹理特征和粗糙质感特征。对虚拟对象模型的多边形进行手动调节的纹理映射，是减少创建丰富场景所需要的多边形数目的最好方法3。 2.2.2三维建模技术的

14、选择运用对虚拟实验开发的重要意义 选择合适的三维建模工具，对虚拟实验的开发具有重大意义。作为虚拟现实系统的关键技术之一，虚拟场景的精确模型的建立至关重要。按照情境学习理论，虚拟场景必须同现实相接近，将学习者置于虚拟的社会和物理环境中学习。采用适当的建模工具，能准确再现现实世界场景和对象的真实材质、合理表现自然光照特征，真实合理的模型能保证虚拟实验的目标的有效4。对基于网络的虚拟实验来说，系统运行的速度直接影响到系统的推广程度。对于复杂场景，多边形的数量决定了场景的载入和呈现速度，选用合适的建模工具可以精简和优化场景中模型的多边形数量，简单准确的模型、准确的纹理映射、强大的多边形修改工具对模型冗

15、余面的手动修改等，能有效提高系统运行速度18。选用合适的三维模型开发工具，还可以大幅降低开发成本。对硬件配置要求低、用户众多的三维建模工具可以节省大量的硬件平台成本，节省对开发成员的培训费用，能有效提高虚拟实验项目开发速度。开发成员间的相互交流也能令其技术水平得到提高，从而对开发速度起到一定的促进作用。2.3建模技术的研究现状及发展趋势三维建模技术现阶段被广泛的用于虚拟仿真技术之中，它是虚拟仿真技术实现的基础。现阶段建模技术已发展到“行为建模”阶段。所谓“行为建模”就是可以描述物体运动及行为特征，是虚拟现实的自主性特性的体现。虚拟现实的自主性特性，简单的说是指动态形体的活动、变化以及与周围环境

16、和其它动态形体之间的动态关系，他们不受用户的输入控制。例如战场仿真环境虚拟环境中，直升机螺旋桨的不停旋转；虚拟场景中鸟在空中自由的飞翔，当人接近它们时，他们要飞远等行为。虚拟现实技术不仅创造出虚拟场景，而且还创造出虚拟主持人、虚拟歌星、虚拟演员。日本电视台推出的歌星DiKi，不仅歌声迷人而且风采翩翩，引得无数歌迷纷纷倾倒，许多追星族欲亲睹其芳容，迫使电视台只好说明她不过是虚拟的歌星。在教育方面，现阶段虚拟实验的研究受到很多人的关注。虚拟实验是指依托相关的计算机平台，借助于硬件和软件实现的计算机仿真实验。虚拟实验是对传统实验的强化和延伸，它是实验教学发展的重要方向,是多媒体计算机技术、网络技术与

17、虚拟仪器技术的结合5。黄海林在虚拟实验三维建模技术研究一文中以虚拟实验平面度误差测量中虚拟对象建模为例，研选用3dsmax进行网络三维虚拟实验模型建构的简易流程、模型动作的设置技巧、模型的视觉表现手法以及建模原则等关键问题，以提高网络三维虚拟实验的开发效率及质量。我国目前的虚拟实验的理论和实践虽已取得较大程度的发展,但仍存在虚拟化程度不高、开发过程中采用的建模技术不合理等问题6。2.4三维动画技术三维动画技术又称3D动画，是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的一新兴技术。三维动画作为电脑美术的一个分支，是建立在动画艺术和电脑软硬件技术发展基础上而形成的一种相对的独立新型的艺术形式。三维动画

18、软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界，设计师在这个虚拟的三维世界中按照要表现的对象的形状尺寸建立模型以及场景，再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其它动画参数，最后按要求为模型赋上特定的材质，并打上灯光。当这一切完成后就可以让计算机自动运算，生成最后的画面7。2.4.1三维动画技术的应用领域三维动画技术模拟真实物体的方式使其成为一个有用的工具。由于其精确性、真实性和无限的可操作性，目前被广泛应用于医学、教育、军事、娱乐等诸多领域。在影视广告制作方面，这项新技术能够给人耳目一新的感觉，因此受到了众多客户的欢迎。三维动画可以用于广告和电影电视剧的特效制作（如爆炸、烟雾、下雨、光效等）、

19、特技（撞车、变形、虚幻场景或角色等）、广告产品展示、片头飞字等等。2.4.2三维动画技术的发展过程早期主要应用于军事领域。直到70年代后期，随着PC机的出现，计算机图形学才逐步拓展到诸如平面设计、服装设计、建筑装潢等领域。80年代，随着电脑软硬件的进一步发展，计算机图形处理技术的应用得到了空前的发展，电脑美术作为一个独立学科真正开走上了迅猛发展之路。运用计算机图形技术制作动画的探索始于80年代初期，当时三维动画的制作主要是在一些大型的工作站上完成的。在DOS操作系统下的PC机上，3D Studio软件处于绝对的垄断地位。1994年，微软推出Windows操作系统，并将工作站上的Softimag

20、e移植到PC机上。1995年，Win95出现，3DS出现了超强升级版本3dsmax1.0。1998年，Maya的出现可以说是3D发展史上的又一个里程碑。一个个超强工具的出现，也推动着三维动画应用领域不断的拓宽与发展。，从建筑装潢、影视广告片头、MTV、电视栏目，直到全数字化电影的制作。在各类动画当中，最有魅力并动用最广的当属三维动画。二维动画可以看成三维动画的一个分支，三维动画软件功能愈来愈强大，操作起来也是愈来愈容易，这使得三维有更广泛的运用。假如你喜欢访问个人主页，会很容易看到一些简单的三维动画，制作人也许刚刚学会用电脑，毕竟我们的世界是立体的，只有三维才让我们感到更真实。1995年，由迪

21、斯尼发行的玩具总动员上映，这部纯三维制作的动画片取得了巨大的成功。三维动画迅速取代传统动画成为最卖座的动画片种。迪斯尼公司在其后发行的玩具总动员2、恐龙、怪物公司、虫虫特工队都取得了巨大成功。另外,梦工厂发行的蚁哥雄兵怪物史瑞克等三维动画片，也获得了巨大的商业成功。三维动画在电影中的运用更是神乎其技：蜘蛛侠、泰坦尼克号、终结者、魔界的成功都离不开其中绚三维动画场面。现今三维动画的运用可以说无处不在，网页、建筑效果图、建筑浏览、影视片头、MTV、电视栏目、电影、科研、电脑游戏等等。现阶段，无论是3dsmax软件，还是三维建模技术，虚拟现实技术，都在快速的发展。发展的趋势是系统化、真实化、人性化。

22、各种虚拟技术发展给人门的生活及学习都带来了极大的方便8。3三维建模工具3.1三维建模工具比较三维建模工具有很多，这里举出几个较普及的软件，如3dsmax、Maya、AutoCAD/Mechanical Desktop (Mechanical v2008)、Pro/E (Pro/Engineer)、Catia。3dsmax作为目前使用频率最高、拥有最大用户群的三维建模软件，3dsmax几乎拥有所有3D类软件所应该具有的强大功能：灵活多样的建模方式，如多边形建模、细分建模、NURBS 曲面建模、角色建模等；丰富的材质质感表现；高级曲线动画编辑等。易学易用，适合作为开发虚拟实验的三维建模软件。同时，

23、Cult3D、Viewpoint、Virtools都为3dsmax开发了专门的Export导出插件，Java3D甚至能直接识别3dsmax的传统格式3ds，应用亦不受限制9。3dsmax的优点具体体现在：相对低廉的价格优势。3dsmax有非常好的性能价格比，它所提供的强大的功能远远超过了它自身低廉的价格，这样就可以使作品的制作成本大大降低，而且它对个人电脑硬件系统的要求相对来说也很低，一般普通的硬件配置已经可以满足学习的需要。易用性强。3dsmax的制作流程十分简洁高效，可以让初学者很快上手，比较适合初学者开发虚拟实验。使用者众多，便于交流。网络资讯的发达令陌生学习者之间的协作学习和交流变得更

24、加容易10。Maya与其它的三维软件有明显的区别，首先，Maya继承了Alias所有的工作站级优秀软件的特性：灵活、快捷、准确、专业、可扩展、可调性。Maya的操作平台基于Windows NT，操作更简便。同时，Maya 独一无二的工作界面使操作更直观，利用了窗口的所有空间并将其发挥到极至，快捷键的合理组合使动画制作事半功倍。Maya不仅有普通建模功能，同时更具备了其它软件少有的NURBS建模功能。Maya在灯光、摄像机、材质等方面的表现也不俗，模拟灯光更加真实，可调参数更突出；特技灯光种类更丰富更具有吸引力。摄像机的功能和参数更加专业，如镜头、焦距、景深等特殊功能是其他软件不具备的。矢量材质

25、可模仿木纹、毛石、水等，节省了贴图的制作，同时在折射、反射等效果上更加独特。在动画设置上，粒子、动力学、反向动力学等高级动画设置都由软件自行计算，提高动画的真实程度，渲染精度可与电影级媲美。但是Maya的学习复杂困难、周期长，如复杂的菜单、大量的隐藏节点命令、CG图形学的知识如渲染细分、UV理论等，严重阻碍了开发效率的提高。而且由于移植自传统工作站，Maya 对计算机硬件要求较高，高速的中央处理器、大容量内存和支持 OpenGL 的高端显示卡都对其广泛应用形成障碍。AutoCAD/Mechanical Desktop (Mechanical v2008)作为传统的CAD设计平台，AutoCAD

26、已经成为了一个工业标准。从概念设计到草图和局部详图，AutoCAD提供了创建、展示、记录和共享构想所需的所有功能。Mechanical Desktop (Mechanical v2008)是一种专门为机械类设计师开发的设计应用程序，并且Mechanical Desktop构建于AutoCAD平台这一全球最畅销的设计应用程序之上，并使用原始DWG格式，通过该软件可以与世界上最大的设计团体进行交流。其具有的精准快捷的基于零部的建模方式是3dsmax和Maya所不及的。由于不具备Cult3D等Web3D技术的输出插件，Mechanical Desktop在进行三维模型输出时需要使用。3ds的中间格式

27、，依赖3dsmax重新导出为可用格式，过程稍嫌繁琐；复杂模型数据交换过程中易出现数据丢失现象；另外模型中的面(Faces)的数量也不能得到很好的控制。 Pro/E (Pro/Engineer)PTC 公司出品的基于尺寸驱动的主要应用于模具及产品开发的设计应用程序，具有强大的功能和易用性，适用于模具开发和有限元分析。但是也需要中间格式来同 Web3D技术进行模型数据交换。 Catia是由法国著名飞机制造公司Dassau1t开发并由IBM公司负责销的世界上一种主流的CAD/CAE/CAM一体化软件。其应用范围主要有三维建模，可以进行模具、自由曲面等建模，可以进行有限元分析，可以生成数控代码等，功能

28、强大，与 Solidworks、Pro/E、UG等有异曲同工之妙11。 3.2三维建模软件3dsmax3.2.1 3dsmax软件特点3dsmax软件发展至今已是功能强大，博大精深，奥妙无穷，命令繁杂，建模方法灵活、多样，如有创建、修改、层次、运动、显示工具等六个面板，每个命令面板又有多个命令及参数设置。如创建命令面板，可以创建几何体、二维图型、灯光、摄像机、辅助对象、空间扭曲、系统等类型。每一种创建类型又有多个创建命令，如创建几何体类型又可以分为标准基本体、扩展基本体、复合对象、粒子系统、面片栅格、NURBS、门窗、AEC扩展、动力学对象、楼梯、Vray等；修改命令面板里有90多个修改命令可

29、供使用，每个修改命令又有多个卷展栏，不同的卷展栏又包含许多命令与参数设置；再加上材质、贴图、渲染、环境与效果、动画技术、粒子与动力学系统等等12。3.2.2 3dsmax建模方法3dsMAX的建模方法现实世界事物林林总总，它们在3dsmax中的建模方法各有不同，并且它依个人的观察能力和操作习惯而大不相同，应该说没有统一的建模标准，本节旨在说明对不同事物一般和常规的建模方法，其分类主要根据目标形体的形状。1）旋转建模：用于具有中心轴对称的物体如各种陶器，以及大部分的水果。这类造型比较简单，用line工具绘出对称截面，加入lathe(旋转)修改器可得到三维实体，有些还需加入特殊变形，以更加真实地表

30、现现实的效果。2）loft放样建模：用于在一段路径上具有一致截面或有少数截面的情况。在绘制这类模型时要求绘出截面形状和截面的走样路径(即z轴的)的二维线形，进行loft放样可得到最终目标。3）Boolean 建模方法：用来将两个造型物体进行Boolean 合成。合成方法有 u2nion， subtraction，intersection和cut 四种，前三种相当于数学中的并、差、交，后一种方法对造型本身不会有大的影响，只是会形成子物体的重定义，以便做进一步的修改。面上挖孔等的造型设计多用此。4）细分建模：主要用于具有较为规则的平面或光滑曲面的物体。这是一种十分有用的造型方法,一般较为复杂的直面

31、物体如楼宇或简单的曲面物如沙发等都可化归此类。5）复制、 堆积建模：用于具有不规则形态的形体阵或堆积如树木，石块。这种物体需对单个的物体进行详细绘制。6）依附建模：用于带有空间扭曲或变形的物体建模。现实中有些物体不是孤立存在的，它们的存在形式与所附物体形态有关 7）生物建模：称为面片建模用于左右对称的生物。这种方法只要加工出一半,通过对称复制整个生物就成形了。8）NURBUS曲面建模：用于大部分的曲面物体。NURBUS建模方法是曲面造型的最常用的方法,也是造型中最为复杂的一类建模方法。现实中大部分具有精细曲面的物体都需由它来完成,如显示器、汽车等,9）材质建模：这类建模方法的实现主要由材质来完

32、成，如 displace 修改器和opacity透明贴图。10）组合建模：用于工业中的复杂零件，大部的家用电器、交通工具等。这些物体由多个或相同或不同的部分组成，要完全最终的目标物体，需要利用各种不同的坐标轴，经常还需要改变一些部分的轴心，使用旋转、移动、放缩、对齐、阵列等各种常用工具，通过切换各个视图来方便地进行操作，最后成组完成一个完整的有机部分13。4力学基础实验原理和理论基础4.1矩形截面纯弯曲梁应力分布测定实验原理实验装置如图1所示，中间区段为纯弯曲段，其弯矩为M=1/2Pa,由理论可知横截面上各点的正应力为： （4-1）式中 M直梁弯矩I横截面对中性轴的惯性矩 Y该截面到中性轴的距

33、离对于矩形截面其惯性矩为：I= （4-2）由于所研究部分处于纯弯曲状态，纵向各纤维之间不挤压，只有伸长或缩短，所以各纵向纤维为单向应力状态，只要测出各点的应变值，即可按胡克定律算出正应力=E （4-3）式中E为弹性模量常数，而为应变，可由实验测量得到，从而也可以求出，如果在同一状态下在同一测量点上应有= （4-4）则公式（4-1）可得到验证。为了达到上述目的，在直梁的纯弯曲段内，沿截面高度的六个等分处沿轴向贴七组应变片，在在支点外端贴一组温度补偿片，然后测出各点的正应变后，即可按（4-3）式计算出正应力；并画出应力沿截面高度分布规律图线，与（4-1）式算出的理论值进行比较。4.2测量电桥应用实

34、验原理电测法就是将物理量、力学量、机械量等非电量通过敏感元件转换成电量后，用电学仪器进行测量的一种实验方法，其原理框图如下所示。图4-1电测技术原理框图Figure 4-1 Block diagram of electrical measurement technology测量对象为一等强度梁，如图 1 所示，在等强度梁的各截面处的上下表面分别铁电阻应变片，在实验装置附近有一个温度补偿块，作为单臂半桥测量时的温度补偿片，当试件加载荷时，等强度梁发生变形，其上下表面所贴的电阻应变片随产生拉伸或压缩变形，按电测法原理，可选则不同的接桥方式测出贴片截面处的应变值。1.单臂半桥：其组成形式见图4-2（

35、a），AB桥臂为测量片，BC桥臂为温度补偿片，CD、DA桥臂R为应变仪内部提供的标准电阻，应变仪读出的应变值与真实值之间的关系为2.双臂半桥：其组成形式见图4-2（b），AB桥臂为测量片，BC桥臂应为，R为应变仪内部提供的准确电阻，应变仪读出的应变值与真实值关系为：3.全桥链接：组成形式见图4-2（c），AB、BC、CD、DA四个桥臂分别为测量片，应变仪读出的应变值与真实值之间关系为：图4-2（a）单臂半桥 图4-2（b）双臂半桥 图4-2（c）全桥Figure 4-2 (a) Half-bridge arm Figure 4-2 (b) Half-bridge arms Figure 4-2

36、 (c) Full-bridge4.3复杂应力状态下的主应力测定薄壁钢管承受弯曲和扭转组合作用时，钢管表面上任意一点可以认为处于平面应力状态，如图所示。图4-3平面应力状态Figure 4-3 Plane stress state1）理论上分析圆筒上某一点的主应力大小及方向：圆筒上面A点（或下面B点）横截面上的应力为 (4-5) (4-6)其中： 式中：弯矩扭矩抗弯截面模量抗扭截面模量钢管外径钢管内径该点主应力大小和方向分别为： （4-7） （4-8）2）由实验确定圆筒的主应力大小及方向：为了测量圆筒上A点主应力的大小及方向，在薄壁钢管的上表面A点处粘贴4枚电阻应变片（与A点相对应的B点处也粘

37、贴4枚电阻应变片），电阻应变片的布片方案为应变花。可以按顺序选择不同角度的三枚电阻应变片为一组，测得三个不同方向的应变值，则该点的主应力大小及方向可算出。三枚电阻应变片的组成分别为： 图4-4电阻应变片的布片方案Figure 4-4 Pieces of cloth resistance strain gauge program则主应力的大小及方向的测试值为： （4-9）3）接桥方法：采用单臂半桥接桥方法：采用、组成一组电阻应变花，为温度补偿片，见图4-5（a）；也可采用、组成一组电阻应变花，为温度补偿片，见图4-5（b）。图4-5（a）接桥方式1 图4-5（b）接桥方式2Figure 4-5

38、(a) Bridging mode 1 Figure 4-5 (b) Bridging mode 2也可以采用双臂半桥接桥方法：采用A、B两点对应的应变片组成应变花，接成双臂半桥14。4.4拉伸与压缩试验原理自动测试系统主要由输入、放大、转换、处理、显示、输出结构（见图2）。输入部分用来感知被测量的变化形成输入信号，放大部分将信号放大提供必要的起动电压。转换部分将模拟量转换成处理器能够识别的二进制数字量送给处理器进行计算、存储。显示与输出部分用来显示测试信号、打印测试结果。自动测试系统工作原理:电子万能试验机的自动测试系统是在传统机械性能能测试方法的基础上逐渐发展、完善，是电子技术与基础物理知

39、识的综合应用。该测试系统，用位移传感器和力传感器取代了老式万能试验机用线传动和测力油缸来反映试件的变形与受力大小的方法。用计算机代替了人工计算，并用显示器、打印机取代了示力盘和绘图仪，工作原理框图如图3所示。当试件受力发生变形时，力合位移传感器将力与位移（变形）信号输入放大器，放大器信号放大，以达到A/D转换和计算机能够工作的最低启动电压，使其进入工作状态。由于力与位移信号时连续变化的模拟量，而计算机只能识别非连续变化的二进制数字量，因此，信号在进入计算机值钱必须经A/D转换将模拟量信号转换成二进制数字量。转换后计算机以二进制数的形式存储、计算、描绘曲线等，并以十进制的形式反映在显示器上。实验

40、结果后计算机根据程序的指令将计算结果与实验曲线打印输出15。4.5被动隔振实验原理被动隔振是为了防止周围环境的振动通过机脚、支座传至需要保护的精密仪器和设备，故又称为防护隔振，其目的在于隔离或减小振动的传递，也就是隔离响应，使精密仪器和设备不受基座运动而引起的振动的影响。被动隔振的力学模型如图6-2所示，被隔振的设备置于减震器上，将设备与振动的地基隔离开。设备的质量为m，减震器的刚度为K、阻尼系数为C。 （4-10） （4-11）若振源为地基的垂直简谐振动，由振动理论可知： （4-12）式中：阻尼比 频率比5力学基础实验虚拟平台实验装置建模技术及实现5.1力学实验虚拟平台实验装置建模的意义辽宁

41、工程技术大学的力学实验室是省级重点实验室，在学生学习力学课程中起着重要作用。其中各种先进的实验设备，为学生学习提供了优越的平台。但是实验室现阶段仍然存在：实验设备数量少、实验成本大、实验设备种类不全等问题。该虚拟实验建模的实现既可以减少资金的投入，丰富了实验的内容，又拓展实验教学的时间和空间，强调学生在实验中的主导地位，它创设的虚拟情景的实验氛围可以调动学生学习的积极性和求知欲，部分虚拟实验还可以避免真实实验中的一些危险。学生通过观察现象、测得数据与误差，达到真实实验难于实现的教学效果。而且每个实验都可以重复观看学习，达到学会、学牢、学精的程度。5.2力学实验机虚拟建模5.2.1 矩形截面纯弯

42、曲梁应力分布测定实验装置、实验步骤、建模过程1）实验装置：a、YD88便携式超级应变仪 b、游标卡尺，直尺2)实验步骤：a、用游标卡尺量取直梁的壁厚、高度等，用直尺量取计算所需尺寸。b、将直梁纯弯曲段内的电阻应变片按顺序分别接到应变仪的各通道A、B插孔，将温度补偿片接到公共补偿片的B、C插孔。c、调试好应变仪及实验装置，先将选点开关调到中性层上的应变片所接的通道，将该通道的显示数字调到零，然后加载荷，看仪器输出应变值是否有变化，若没有变化，说明直梁CD段处于纯弯曲状态，若有变化，说明直梁没有处于纯弯曲状态，此时卸掉载荷，调节一下梁的位置，然后再加载荷测试，反复几次，直至中性轴上的应变片的应变值

43、加载荷和不加载荷时都没有应变值产生为止。d、按顺序依次测得各应变片的应变值，填入表中，每级载荷为1kg，共加5级，每加一级记录一次应变度数，直到预定的最大载荷为止，卸载后，每一桥路应变值再重复两次。e、测试结束后，将仪器及实验装置整理好。3)实验装置建模过程：a、实验台建模：图5-1实验台模型Figure 5-1 Modeling benchb、传感器建模：图5-2传感器模型Figure 5-2 Sensor modelingc、应变仪建模：图5-3应变仪模型Figure 5-3 Strain gauge modeld、加载装置建模：图5-4加载装置模型Figure 5-5 Add devic

44、e modele、实验装置效果图：图5-6实验装置效果图Figure 5-6 Experimental setup renderings5.2.2 测量电桥应用实验实验装置、实验步骤、建模过程1)实验设备几装置：a、YD88便携式超级应变仪b、实验装置见图5-7图5-7实验装置Figure 5-7 Experimental setup2）实验步骤：a、熟悉应变仪面板，将电源线接到仪器电源插孔，另一端暂时不通电。b、按要求将被测点的电阻片接入电桥插孔并将螺丝拧紧。单臂半桥连接时，将测量片接入某通道的A、B插孔，将温度补偿片接入同一通道的B、C插孔，面板上的“半桥、全桥”开关放置半桥位置。双臂半桥

45、连接时，将测量片接入某通道的A、B插孔，测量片接入同一通道的B、C插孔，面板上的“半桥、全桥”开关放置板桥位置。全桥连接时，将测量片R，R，R，R分别接入某一通道的AB、BC、CD、DA插孔，面板上的“半桥、全桥”开关放置全桥位置。c、已知电阻片的灵敏系数K=2.10，调整应变仪后面面板上的系数为2.10。d、将应变仪接通电源，打开电源开关，指示灯亮，切换通道用LED显示。将切换开关拧到接有测量电桥的通道，该通道的指示灯亮，显示屏幕上视为精密电位器，直到数码显示为零。e、给试件加载荷，每加一次，记录一次应读读数。直到预定载荷为止（上次测量重复三遍），将不同接桥方式的测量应变读数填入表中。f、测

46、试完毕后关电源，拆下接线，使仪器和实验装置恢复初始状态。3）实验装置建模过程a、实验台建模：见图5-1。b、传感器建模：见图5-2。c、应变仪建模：见图5-3。d、加载装置建模：见图5-4。e、试件建模：图5-8试件模型Figure 5-8 Modeling specimenf、实验装置效果图：图5-9实验装置效果图Figure 5-9 Effect picture experimental device5.2.3 复杂应力状态下主应力的测定实验装置、实验步骤、建模过程1）实验设备与装置：a、YD88便携式超级应变仪。b、游标卡尺，直尺。2）实验步骤：a、用游标卡尺和直尺分别量取计算时所需试件

47、尺寸。b、熟悉应变仪面板各旋钮功能，将电源线接到仪器电源插孔，另一端暂时不通电。c、接桥方式选用单臂半桥。将电阻应变片按顺序分别接入四个电桥通道的A、B插孔，将温度补偿片接入B、C公共补偿插孔，并将螺丝拧紧。d、将应变仪面板上“全桥”、“半桥”选择开关放在“半桥”位置。e、电阻应变片的灵敏系数K=2.15，调整应变仪后面面板上的灵敏系数为2.15。f、将应变仪接通电源，打开电源开关，指示灯，切换电桥通道用指示灯显示。g、将测点选择开关分别拧紧到接有电阻应变片电桥的通道，用小螺丝刀分别调节各指示灯对应下方的电位器，直到显示屏幕上的数码显示调为零。说明此时电桥处于平衡状态。h、给试件加载荷，每次加

48、1kg，共加5kg。每加一级，分别记录四个电桥的应变度数，直到预定载荷为止。（上述测量过程重复三遍）。i、测试完毕后关掉电源，拆下接线，使仪器和实验装置恢复初始状态。3）实验装置建模过程：a、实验台建模：见图5-1。b、传感器建模：见图5-2。c、应变仪建模：见图5-3。d、加载装置建模：见图5-4。e、试件建模：图5-10试件模型Figure 5-10 Specimen modelf、实验装置效果图：图5-11实验装置效果图Figure 5-11 Effect picture experimental device5.2.4 拉伸与压缩实验装置、实验步骤、建模过程1）实验设备及试件：a、WD

49、S-100电子万能试验机、游标卡尺。b、试件：低碳钢与灰口铸铁。2）实验操作步骤：a、记录实验前原始数据b、安装试件、调试仪器、选择实验方案、输入原始数据、试验加载。c、测量断后数据3）实验装置建模过程a、传感器建模：图5-12传感器模型Figure 5-12 Sensor modelb、数控电机及整体框架：图5-13数控电机及整体框架模型Figure 5-13 Motor and the overall framework of the model of NCc、低碳钢试件建模：图5-14低碳钢试件模型Figure 5-14 Model of low-carbon steel specime

50、nd、夹头建模：图5-15夹头模型Figure 5-15 Chuck modele、压缩试件建模：图5-16压缩试件模型Figure 5-16 Model of compression specimensf、拉伸实验装置效果图：图5-17拉伸实验装置效果图Figure 5-17 Effect picture tensile test device g、压缩实验装置效果图：图5-18压缩实验装置效果图Figure 5-18 Effect picture compression test device5.2.5 被动隔振实验装置、实验步骤、建模过程1）实验装置：a、激振器b、传感器c、空气隔振器2

51、）实验步骤：a、实验将传感器I、II分别置于简以梁和质量块上，用来侧来弄个简支梁振幅和质量块振幅。并将I、II的输出分别接入电荷放大器的输入端，将电荷放大器出端与数据采集仪输入端连接。b、采集仪通电前，“功率调节旋钮时针旋到头，开启采集仪电源开关，预热五分钟。c、启动计算机，双击桌面上的“Vib，SYS”，点击“振动教学（E）”，点击“振动教学模块”，点击“被动隔振实验”。d、在程控信号发生器上定额率区域和间隔，然后点击“”，点击“开始测试”。e、激振信号源输出正弦信号驱动电动式激振器，对简支梁激振。将激振频率由低向高调节，分别测出简支梁振幅和质量块振幅，将数据记录下。在刚度出现时，说明刚满足

52、时，这时的激振频率就是隔振器能起到隔振作用的最低频率。3）实验装置建模过程：a、实验台建模：图5-19试验台模型Figure 5-19 Model testb、传感器建模：图5-20传感器模型Figure 5-20 Sensor modelc、激振器建模：图5-21激振器模型Figure 5-21 Exciter model d、非接触激振器建模：图5-22非接触激振器模型Figure 5-22 Non-contact vibration exciter modele、一体式计算机建模：图5-23一体式计算机模型Figure 5-23 Integrated computer modelf、功率

53、放大器建模：图5-24功率放大器模型Figure 5-24 Power amplifier model g、实验装置效果图：图5-25实验装置效果图Figure 5-25 Effect picture experimental device6结论通过对三维建模技术及虚拟实验的阐述，明确了虚拟实验的重要性，力学实验的虚拟实现将成为今后力学实验教学手段改革的重要发展方向。利用3dsmax三维建模软件，完成了力学基础实验实验装置虚拟建模及实验规律的动画模拟。实现了实验装置的虚拟建模、材质赋予、灯光、渲染及动画制作。每个实验动画都从三个不同的视角分别突出表现了实验流程、操作步骤和所得实验结果。所制作的

54、模型满足虚拟实验的操作要求，实验规律动画效果逼真。此外，除了拉伸与压缩实验具有显著的实验规律动画外，本文中所涉及的其它实验，如弯曲、扭转都通过3d建模技术实现了实验规律动画，能够让学生深刻的理解实验步骤及实验结果。虚拟实验的重要因素就是场景的真实度，一个好的场景会是学生有种身临其境的感觉。利用3dsmax中的vray插件，接近真实的实现了虚拟实验装置和实验现象场景动画的渲染效果。致谢论文的最终完成，也意味着我的大学学习生涯即将结束。回首4 年的时光，心里充满了无限的感激之情。 感谢我的班主任刘杰老师，谢谢老师4 年来的关怀与教导。老师严谨的治学态度、生活中谦和的品质与乐观向上的人生态度让我受益终身。今后必然谨记恩师的教导，在工作与生活中不断完善自我。感谢我的论文指导教师肖晓春，谢谢您在我毕业设计期间对我的细心指导。论文的完成离不开您认真负责的指导讲解。感谢传授我知识的各位老师，是你们让我对教育技术学有了更深刻的认识，这让我在今后的工作中必将受益匪浅。感谢各位审阅过我论文的老师，谢谢您对我的指导。感谢研究实践中各位同学的协作及大力支持，感谢本文列出的和由于各种原因未列出的参考资料的作者，正是你们的慷慨帮助，我才能得以完成此文。感谢我的家人和朋友们，谢谢你们在我学业与生活上的支持和鼓励。 参考文献1杨磊.虚拟实验及其教学管理平台