基于Labview的材料力學實驗模擬系統(tǒng)研究

基于Labview的材料力學實驗模擬系統(tǒng)研究,基于,labview,材料力學,實驗,試驗,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.電子萬能試驗機 2.游標卡尺 3.鋼尺 1.材料力學多功能實驗臺: (1) 主機 (2)力/應變 綜合參數(shù)測試儀 2.游標卡尺 1.材料力學多功能實驗臺: (1) 主機 (2)力/應變 綜合參數(shù)測試儀 2.游標卡尺和鋼尺 1.測定低碳鋼的屈服極限、強度極限、延伸率和斷面收縮率。 2.測定鑄鐵的強度極限。 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性能。 1.了解電測靜應力實驗的基本原理和方法，并做初步操作練習。 2.在比例極限內(nèi)測定鋼材的彈性模量E和泊松比。 3.驗證胡克定律。 1．測定梁純彎曲段正應力大小及分布，并與理論計算結(jié)果進行作比較； 2．進一步熟悉電測靜應力法的原理和操作方法，掌握應變儀的操作。 1.測量試件尺寸：用游標卡尺在試件標距長度范圍內(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 距長度內(nèi)，可以用兩個小沖點或一系列等分細線做出原始標記，用來為斷口位置的補償做準備。 2.試驗機準備：根據(jù)試件橫截面積和材料的大致強度極限，設定實驗所需的最大載荷。 3.安裝試件：先將試件安裝在試驗機上夾頭內(nèi)，再開動下架頭升降電機（或轉(zhuǎn)動下夾頭升降手輪）使其達到 適當?shù)奈恢茫缓?試件下端夾 ，試件 夾頭 分要 長 中。 4. ：先 以上 ， 準 后 可 下 實驗。 5.實驗： 設的 ?￠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，用游標卡尺測定斷′后的標距長度及斷口處的最 小直徑。§currency1?分? ˉ。 7.計算強度 標??˙ 標。實驗出¨下列 一?，實驗? ??ˇ （1）試樣在標距—斷′， ˙ 標 。 （2） 當 致試樣 ? 。 （3）實驗記 或設備? a 實驗? 準確˙ 上?實驗? ???，?補做o樣 量試樣的實驗。 1.在試樣標距內(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.熟悉與掌握電阻應變儀操作方法、 4.把電阻片的導線接到應變儀上，并調(diào)平應變儀。 5.待一切正常，正式開機實驗。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 測試。最 導 定。 1、測量實驗梁的高度和厚度。 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、熟悉和掌握電阻應變儀操作方法。 4、取K儀=K片，把電阻片的導線接到應變儀上，并調(diào)平應變儀。 5、待一切正常，正式開機實驗。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)，若不符合要求應重新測試。最后經(jīng)指導教師鑒定。 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 材料力學是工科院校機械類和近機械類專業(yè)的專業(yè)基礎課,材料力學實驗該課程的重要組成部分.在實際中需要先對材料進行力學性能指標測定，只有符合力學技術(shù)指標的材料才能使用于工程上,這就要求學生必須掌握一定的力學實驗檢測方法和技能。然而購買實驗設備要耗費一筆巨款，每次實驗也要損耗許多材料，因此無法滿足教學的需求。這是實驗教學的最大阻礙。和計算機技術(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驗?，F(xiàn)基于上述理由，我們用LabVIEW開發(fā)了力學實驗的模擬系統(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驗的模擬，通過子程序?qū)崿F(xiàn)了實驗目的、實驗器材、實驗步驟的實驗理論性指導。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，并通過實驗數(shù)據(jù)生成了拉伸實驗的曲線圖，并對曲線進行了三次樣條插值處理，從曲線圖中可以通過光標自動加載四個極限應力值，計算伸長率和收縮率，最終利用實驗數(shù)據(jù)和拉伸曲線圖自動生成拉伸實驗報告。 2、完成了彈性模量與泊松比的測定實驗的實驗模擬，其中利用實驗指導書指導目的、儀器和過程講解實驗。整體通過視頻演示實驗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驗的曲線圖，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力的測定實驗，在模擬系統(tǒng)中，通過實驗目的、儀器、實驗過程來指導實驗。通過視頻嵌入，展示了梁的純彎曲正應力的測定實驗的實驗過程，同時，為了便于了解實驗過程中數(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 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用價值 - 1 - 1.2 模擬實驗系統(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 拉伸模擬實驗 - 4 - 2.1 總體設計 - 4 - 2.2 主控界面實現(xiàn) - 5 - 2.3 拉伸實驗指導 - 6 - 2.4 拉伸實驗視頻 - 8 - 2.5 拉伸實驗曲線圖 - 9 - 2.6 拉伸實驗數(shù)據(jù)處理 - 10 - 2.7 報表生成實現(xiàn) - 11 - 3 彈性模量與泊松比的測定模擬實驗 - 13 - 3.1 總體設計 - 13 - 3.2 主控界面實現(xiàn) - 14 - 3.3 彈性模量和泊松比測定實驗指導 - 15 - 3.4 彈性模量和泊松比測定實驗視頻 - 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 報表生成實現(xiàn) - 20 - 4 梁的純彎曲正應力模擬實驗 - 22 - 4.1 總體設計 - 22 - 4.2 主控界面實現(xiàn) - 23 - 4.3 梁的純彎曲正應力實驗指導 - 24 - 4.4 梁的純彎曲正應力實驗視頻 - 26 - 4.5 梁的純彎曲正應力實驗曲線圖 - 27 - 4.6 梁的純彎曲正應力實驗數(shù)據(jù)處理 - 29 - 4.7 報表生成實現(xiàn) - 30 - 結(jié) 論 - 32 - 參考文獻 - 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的材料力學實驗模擬系統(tǒng)研究 1 緒論 1.1 選題的理論意義和應用價值 材料力學是研究材料在各種外力作用下產(chǎn)生的應變、應力、強度、剛度和穩(wěn)定性以及導致各種材料破壞的極限。一般是工科學生們的必修課，是一門常見的專業(yè)基礎課。實際操作能力是理工科學習要注意的重點，因此實驗的完成質(zhì)量是學習的關(guān)鍵。 但是現(xiàn)在學生的數(shù)量大量增加。導致了大量高校缺少必要的硬件設施，教師數(shù)量也大多無法保證教學質(zhì)量。購買實驗設備要耗費一筆巨款，每次實驗也要損耗許多材料，因此無法滿足教學的需求。這是實驗教學的最大阻礙。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行實驗教學。使學生有身臨其境的感覺。通過準備好的實驗基本知識，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驗的操作方法。這樣，使用者可以有條理的，迅速的操作實驗。為了激發(fā)學生興趣，系統(tǒng)無需學生在特定的時間、特定的地點學習?？梢酝ㄟ^隨時上網(wǎng)查閱數(shù)據(jù)庫等平臺進行實驗指導，便于學生的理解操作，極大地提高了學習效率。 因為在虛擬儀器中最常見也是最常用的是LabVIEW，因此本次設計使用LabVIEW編程。 1.2 模擬實驗系統(tǒng)研究概況和發(fā)展趨勢 如果不利用計算機和網(wǎng)絡等技術(shù)進行傳統(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。現(xiàn)代計算機技術(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，因為利用操作系統(tǒng)的所有內(nèi)存，所以在開發(fā)和調(diào)試應用時更加快捷。虛擬儀器具有靈活與經(jīng)濟的優(yōu)點，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)展科學技術(shù)和深化科學研究的突破口。科學技術(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驗系統(tǒng)在材料力學的研究實驗中，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，實驗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)通過負載，子裝置用于手動裝載螺絲。設備之間的轉(zhuǎn)換相對獨立，通過改變不同的測試件，擴展其實驗功能，使用起來方便。實驗系統(tǒng)中的負載，位移和應變信號是多通道測試系統(tǒng)，經(jīng)過放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換，由計算機處理。通過材料力學多功能測試臺上的負載傳感器和應變儀，通過多通道測量儀器獲取數(shù)據(jù)，將控制計算機從RS232通訊傳輸?shù)絇C端軟件[5]。具有實驗設備緊湊，操作方便，大大簡化了非常繁瑣的實驗準備工作和實驗過程中安裝的試件。 付昌云，孫僮等人研究的材料實驗機不僅滿足了社會主流的實驗機以拉伸、壓縮實驗為主并且可以進行拉力，扭轉(zhuǎn)，沖擊實驗的需求。并且解決了隨著新材料不斷應用于實際工程，主要完成低碳鋼和鑄鐵軸向拉伸和壓縮實驗的實驗機器已經(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。鋼板的拉伸實驗，彎曲實驗和彎曲實驗主要由UG設計，得到試樣的極限載荷。在配備相應的應力和應變計后，可以獲得彈性模量和泊松比，并獲得彎曲應力公式以獲得彎曲和扭轉(zhuǎn)部分的應力。使實驗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變測量功能[6]。 1.3 虛擬儀器的及LabVIEW 將計算機技術(shù)和儀器技術(shù)有機結(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，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、擴展、更新、升級等方面有更好的體驗。 1、LabVIEW簡介 LabVIEW是一種實用的工具，用于開發(fā)虛擬儀器，其外觀和操作和真實儀器非常相似，因此實驗系統(tǒng)模擬通過LabVIEW的圖形化編程進行對實際力學實驗臺的仿真。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有很多功能非常實用，無論是編程還是使用都很方便。 子VI為完成一個復雜的任務提供了可能。 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,不利于完成復雜編程[3]。我們可以把大任務分解成諸多小任務，完成編程后設為子程序。最后封裝在一起完成復雜任務。并且子VI的圖標可以自己畫，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（編程儀器的標準命令），IVI，DataSocket等虛擬儀器軟件標準，LabVIEW本身已經(jīng)成為一種圖形化編程語言的行業(yè)標準。 2、LabVIEW特點 1）直觀、易學易用 與Visual C ++，Visual Basic等計算機編程語言相比，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。 學時時間相對較短，可以很快應用實踐，對于非軟件方面的從業(yè)人員的學習和使用極其簡單[4]。 2）通用編程系統(tǒng) 實驗視圖的功能不受圖形編程的限制，其特點與編程系統(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。 該庫可以控制串口，GPIB，有對數(shù)據(jù)進行采集、分析、顯示、存儲等一系列數(shù)據(jù)操作的能力。 LabVIEW可以進行程序單步執(zhí)行，這需要設置斷點，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。 為了及時的觀察運行中的數(shù)據(jù)和其規(guī)律，LabVIEW可以進行動態(tài)地連續(xù)連續(xù)地跟蹤運行，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，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實現(xiàn)，系統(tǒng)同時封裝了三個材料力學實驗的全部內(nèi)容，包括拉伸實驗、彈性模量與泊松比的測定實驗梁的純彎曲正應力的測定實驗，足以滿足材料力學實驗教學的全部要求。在模擬系統(tǒng)中，通過讀取文檔并顯示的功能為學生制作了一份文字形式的實驗指導書，實驗目的、所需儀器、實驗具體過程一個不少[7]。同時插入實驗臺與試件的圖片，使同學對其構(gòu)造及參數(shù)進行了解。又通過視頻嵌入，為學生展示一個實驗操作的全部過程，使學生全面具體的了解在實驗室怎么做的。與此同時，利用xy圖功能，通過預先存儲的數(shù)據(jù)生成了實驗的曲線圖，便于了解實驗過程中數(shù)據(jù)的變化，最后通過數(shù)據(jù)的處理，計算實驗最終需求的物理量，從而完成整個實驗。最后利用報表生成工具將這一切匯總起來，生成一份報表，供學生課后復習[8]。 2 拉伸模擬實驗 2.1 總體設計 1、設計目標 為了讓使用者仿佛在真正的進行實驗，我們是用LabVIEW建立了非常寫實的實驗模擬系統(tǒng)。通過準備好的實驗基本知識，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驗的操作方法。這樣，使用者可以有條理的，迅速的操作實驗。為了激發(fā)學生興趣，系統(tǒng)無需學生在特定的時間、特定的地點學習?？梢酝ㄟ^隨時上網(wǎng)查閱數(shù)據(jù)庫等平臺進行實驗指導，便于學生的理解操作，極大地提高了學習效率[9]。 2、總體框架設計 （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的龐大的函數(shù)庫，也是通用的編程系統(tǒng)。本次實驗模擬中用到的軟件模塊包括五部分：實驗模擬模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實驗報告打印模塊、有限元仿真模塊、視頻嵌入模塊。 1)實驗模擬模塊 實驗模擬模塊是實驗中最重要的部分，是一個虛擬系統(tǒng)可以代替實際力學實驗臺的基礎，可以是使用者在不接觸實驗臺的情況下，仍能對實驗有深刻認識的重要保證，用它可以對拉伸實驗進行模擬。 2)數(shù)據(jù)存儲模塊 將實驗數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果存儲在虛擬儀器的系統(tǒng)中，在進行實驗時進行調(diào)用，用于輸出實驗結(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)進行處理，包括使用公式對一些必要數(shù)據(jù)的計算，以及應用一些數(shù)據(jù)生成曲線圖或表格。 4)實驗報告打印模塊 對實驗的總體過程生成一份書面的實驗報告，包括將實驗存儲模塊內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理模塊處理好的數(shù)據(jù)以及實驗目的、實驗設備、實驗原理、實驗步驟等一系列元素，便于老師檢查實驗和學生課后更加系統(tǒng)的學習[11]。 5)視頻嵌入模塊 將實驗過程的完整視頻存入LabVIEW中，展示在人機交互界面?？梢噪S使用者的意愿自由進行啟停。其中包括拉伸實驗實驗臺的工作視頻一般為avi文件。 （2） 實驗內(nèi)容 實驗內(nèi)容包括以下幾個方面： 1）實驗目的：實驗的目的是說明該實驗在材料力學教學中的意義，主要為明確學習者在使用該系統(tǒng)學習時的學習目的，它的表達使用文字： 2）實驗設備：實驗設備中包括試件在內(nèi)的全部將要使用到的工具：電子萬能實驗機和游標卡尺以及鋼尺，使使用者可以快速上手[12]； 3）實驗步驟：實驗步驟是使用者在了解實驗原理后對原理進行補充，可以使用者更加簡單的使用本實驗模擬系統(tǒng)，并能加快學習者的學習速度，是一份總體操作的指導書[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)進行預估。安裝試件后開始進行實驗。 2.2 主控界面實現(xiàn) 因為需要模擬的實驗有三個，并且要實驗集成到一個程序中，所以需要在打開一個新的VI后，創(chuàng)建一個選項卡控件[14]。將控件設置為三個選項卡選項，注意將選項卡設為輸入控件，否則選項卡將在運行時不能單擊切換。在此之后將所需要的控件安放在選項卡中，包括打開顯示實驗目的、實驗器材、實驗過程的按鈕控件，實驗臺和試件的圖片，仿真實驗的模擬或者實驗視頻，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慣和保證美觀，圖2.1則完美的實現(xiàn)了這一點。 圖2.1 拉伸實驗控制面板圖 2.3 拉伸實驗指導 同低碳鋼相類似的具有明顯屈服現(xiàn)象的材料，應測定其屈服強度。在屈服階段，若載荷是恒定的，則此時的應力成為屈服強度。上屈服強度則是試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應力，下屈服強度則是屈服期間不計初始瞬時效應時的最小應力。屈服強度、上屈服強度、下屈服強度分別按式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，此時進入強化階段。試樣拉至斷裂，從拉伸圖上確定實驗過程中的最大拉力值與原始橫截面值之比稱為抗拉強度。 （2.4） 在軟件方面，具體的實現(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驗指導如下圖2.2-2.4所示。 圖2.2 實驗目的圖 圖2.3 實驗儀器圖 圖2.4 實驗過程圖 首先插入配置文件路徑，用于保存生成的文本文件，選擇保存了實驗指導內(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 拉伸實驗實驗指導程序圖 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，并將它設為常量[16]。 圖2.6 拉伸實驗子程序圖 2.4 拉伸實驗視頻 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。 在準備工作全部完成后導入“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 拉伸實驗視頻演示圖 然后切換到程序界面添加調(diào)用節(jié)點，將“Aplayer-ActiveX”輸出連接至調(diào)用節(jié)點，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，播放置“play”，停止置“close”，暫停置“pause”。具體設置連線及循環(huán)按照圖2.8完成。 圖2.8 拉伸實驗視頻演示程序圖 2.5 拉伸實驗曲線圖 預先將實驗過程中產(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坐標和y坐標分別放在這兩列，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 拉伸實驗曲線圖 使用讀取表格文件這一函數(shù)來進行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 拉伸實驗曲線圖程序圖 2.6 拉伸實驗數(shù)據(jù)處理 為了使數(shù)據(jù)讀取更加精準，并且增加實驗模擬系統(tǒng)的互動性和可操作性，在拉伸試驗模擬的曲線圖上我們要進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的一條光滑曲線，數(shù)學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，把富有彈性的細長木條（所謂樣條）用壓鐵固定在樣點上，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、實現(xiàn)：運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x[i]處的二階導數(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)點上三次插值多項式的一階和二階導數(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）VI獲得作為二階導數(shù)的內(nèi)插。此類點由采樣長度指定的輸入數(shù)據(jù)點組成，n為采樣點的總數(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 拉伸實驗數(shù)據(jù)處理圖 強度值讀取的是曲線圖的y軸，就用xy圖創(chuàng)建“光標”的“游標y坐標”的屬性節(jié)點來完成，將該屬性節(jié)點連接在數(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)點如圖2.12。 圖2.12 拉伸實驗數(shù)據(jù)處理程序圖 2.7 報表生成實現(xiàn) 報表是實驗的最后一步，整體的展示整個實驗的全部數(shù)據(jù)和實驗過程中數(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 拉伸實驗報表圖 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，正確設置控件[18]。分別創(chuàng)建數(shù)據(jù)的“值”屬性節(jié)點和xy圖的“導出圖像”調(diào)用節(jié)點。將這些節(jié)點按順序與報表控件相連，再創(chuàng)建條件語句，即可在運行后生成報表。報表生成工具及“值”屬性鏈接如下圖2.14。 圖2.14 拉伸實驗報表程序圖 3 彈性模量與泊松比的測定模擬實驗 3.1 總體設計 1、設計目標 課件的設計主要以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計軟件,如Photoshop等。為了讓使用者仿佛在真正的進行彈性模量實驗，通過準備好的實驗基本知識，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驗的操作方法。這樣，使用者可以有條理的，迅速的操作實驗。 2、總體框架設計 （1）軟件模塊 軟件模塊主要是LabVIEW組成的。本次實驗模擬中用到的軟件模塊包括五部分：實驗模擬模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實驗報告打印模塊、有限元仿真模塊、視頻嵌入模塊。 1)實驗模擬模塊 實驗模擬模塊是實驗中最重要的部分，是一個虛擬系統(tǒng)可以代替實際力學實驗臺的基礎，可以是使用者在不接觸實驗臺的情況下，仍能對實驗有深刻認識的重要保證，它可以對彈性模量E及泊松比的測定實驗進行模擬。 2)數(shù)據(jù)存儲模塊 將實驗數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果存儲在虛擬儀器的系統(tǒng)中，在進行實驗時進行調(diào)用，用于輸出實驗結(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)進行處理，包括使用公式對一些必要數(shù)據(jù)的計算，以及應用一些數(shù)據(jù)生成曲線圖或表格。 4)實驗報告打印模塊 對實驗的總體過程生成一份書面的實驗報告，包括將實驗存儲模塊內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理模塊處理好的數(shù)據(jù)以及實驗目的、實驗設備、實驗原理、實驗步驟等一系列元素，便于老師檢查實驗和學生課后更加系統(tǒng)的學習。 5)視頻嵌入模塊 將實驗過程的完整視頻存入LabVIEW中，展示在人機交互界面。可以隨使用者的意愿自由進行啟停。對彈性模量E及泊松比的測定實驗的實驗視頻，一般為mp4文件。 （2）實驗內(nèi)容 實驗內(nèi)容包括以下幾個方面： 1）實驗目的：實驗的目的是說明彈性模量實驗在材料力學教學中的意義，主要為明確學習者在使用該系統(tǒng)學習時的學習目的，它的表達使用文字： 2）實驗設備：實驗設備中包括試件在內(nèi)的全部將要使用到的工具：材料力學多功能實驗臺(1) 主機(2)力/應變 綜合參數(shù)測試儀和游標卡尺，使使用者可以快速上手； 3）實驗步驟：實驗步驟是使用者在了解實驗原理后對原理進行補充，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)進行預估。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 主控界面實現(xiàn) 將選項卡切換到彈性模量和彈性模量測定實驗的界面，在此之后將顯示實驗目的、實驗器材、實驗過程的按鈕控件，實驗臺和試件的圖片，仿真實驗的模擬或者實驗視頻，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慣和保證美觀。圖3.1則完美的實現(xiàn)了這點。 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驗指導 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，需先測出線應變，本實驗采用電測靜應變的方法，它是工程上最常用測定變形的方法之一。 本次實驗在測試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)實驗中是否有差錯，以及數(shù)據(jù)重復性和讀數(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驗指導如下圖3.2-3.4所示。 圖3.2 實驗目的圖 圖3.3實驗儀器圖 圖3.3 實驗過程圖 首先插入配置文件路徑，用于保存生成的文本文件，選擇保存了實驗指導內(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，并將它設為常量的方法。 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驗視頻 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，將“Aplayer-ActiveX”輸出連接至調(diào)用節(jié)點，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，播放置“play”，停止置“close”，暫停置“pause”。具體設置連線及循環(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 事先將實驗過程中的數(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)應該是一樣的，把數(shù)據(jù)分成兩列，x坐標和y坐標分別放在兩列，兩列之間用“Tab”鍵隔開。 在前面板插入x-y圖，如圖3.9正確設置x，y軸所代表的數(shù)據(jù)。X軸為微應變，y軸為載荷。兩條曲線分別是應變片在兩個方向上的受力與應變。 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 因為是在同一個曲線圖內(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 實驗結(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 報表生成實現(xiàn) 報表是實驗的最后一步，整體的展示整個實驗的全部數(shù)據(jù)和實驗過程中數(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，正確設置控件。分別創(chuàng)建數(shù)據(jù)的“值”屬性節(jié)點和xy圖的“導出圖像”調(diào)用節(jié)點。將這些節(jié)點按順序與報表控件相連，再創(chuàng)建條件語句，即可在運行后生成報表。報表工具與“值”屬性節(jié)點照圖3.15連接。 圖3.15 彈性模量與泊松比測定報表程序圖 4 梁的純彎曲正應力模擬實驗 4.1 總體設計 1、設計目標 由于材料力學覆蓋諸多力學理論，數(shù)學模型構(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，為達到實時模擬仿真的目的，在設計上，材料力學模擬實驗系統(tǒng)采用結(jié)合實際實驗的實驗數(shù)據(jù)進行仿真模擬的方法。為了讓使用者仿佛在真正的進行梁的純彎曲實驗，我們是用LabVIEW建立了非常寫實的實驗模擬系統(tǒng)。通過準備好的實驗基本知識，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驗的操作方法。這樣，使用者可以有條理的，迅速的操作實驗。 2、總體框架設計 （1）軟件模塊 軟件模塊主要是LabVIEW組成的[22]。本次實驗模擬中用到的軟件模塊包括五部分：實驗模擬模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實驗報告打印模塊、有限元仿真模塊、視頻嵌入模塊。 1)實驗模擬模塊 實驗模擬模塊是實驗中最重要的部分，是一個虛擬系統(tǒng)可以代替實際力學實驗臺的基礎，可以是使用者在不接觸實驗臺的情況下，仍能對實驗有深刻認識的重要保證，它可以對梁的純彎曲正應力的測定實驗進行模擬： 2)數(shù)據(jù)存儲模塊 將實驗數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果存儲在虛擬儀器的系統(tǒng)中，在進行實驗時進行調(diào)用，用于輸出實驗結(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)進行處理，包括使用公式對一些必要數(shù)據(jù)的計算，以及應用一些數(shù)據(jù)生成曲線圖或表格。 4)實驗報告打印模塊 對實驗的總體過程生成一份書面的實驗報告，包括將實驗存儲模塊內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理模塊處理好的數(shù)據(jù)以及實驗目的、實驗設備、實驗原理、實驗步驟等一系列元素，便于老師檢查實驗和學生課后更加系統(tǒng)的學習。 5)視頻嵌入模塊 將實驗過程的完整視頻存入LabVIEW中，展示在人機交互界面。可以隨使用者的意愿自由進行啟停。其中包括梁的純彎曲正應力的測定實驗的有限元仿真視頻，一般為mp4文件。 （2）實驗內(nèi)容 實驗內(nèi)容包括以下幾個方面： 1）實驗目的：實驗的目的是說明梁的純彎曲正應力實驗在材料力學教學中的意義，主要為明確學習者在使用該系統(tǒng)學習時的學習目的，它的表達使用文字： 2）實驗設備：實驗設備中包括試件在內(nèi)的全部將要使用到的工具：材料力學多功能實驗臺:(1) 主機（2)力/應變綜合參數(shù)測試儀與游標卡尺和鋼尺，使使用者可以快速上手； 3）實驗步驟：實驗步驟是使用者在了解實驗原理后對原理進行補充，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)進行預估。安裝試件后分別在應變片的兩側(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 主控界面實現(xiàn) 將選項卡切換梁的純彎曲實驗界面，在此之后將所需要的控件分別安放在三個選項卡中，包括打開顯示實驗目的、實驗器材、實驗過程的按鈕控件，實驗臺和試件的圖片，仿真實驗的模擬或者實驗視頻，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慣和保證美觀。圖4.1的排布方式則實現(xiàn)了這一點。 圖4.1 梁的純彎曲實驗控制面板圖 4.3 梁的純彎曲正應力實驗指導 由理論推導出梁純彎曲時橫截面上的正應力公式為 （4.1） 實驗測定的各點正應力值為 （4.2） 在比例極限內(nèi)要對梁反復加荷測定，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變增量，從而測定應力值增量。式中 為i點應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，則各遍應變增量離散度應在規(guī)定范圍內(nèi)。 在軟件方面，具體的實現(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]。實驗指導運行時應與圖4.2-4.4相同。 圖4.2 實驗目的圖 圖4.3 實驗儀器圖 圖4.4 實驗過程圖 首先插入配置文件路徑，用于保存生成的文本文件，選擇保存了實驗指導內(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 梁的純彎曲實驗文字顯示程序圖 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，并將它設為常量。 圖4.6 梁的純彎曲實驗子程序圖 4.4 梁的純彎曲正應力實驗視頻 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 梁的純彎曲實驗視頻演示圖 然后切換到程序界面添加調(diào)用節(jié)點，將“Aplayer-ActiveX”輸出連接至調(diào)用節(jié)點，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，播放置“play”，停止置“close”，暫停置“pause”。具體設置連線及循環(huán)按照圖4.8完成。 圖4.8 梁的純彎曲實驗視頻演示程序圖 4.5 梁的純彎曲正應力實驗曲線圖 將實驗過程中產(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)應該是一樣的，把數(shù)據(jù)分成兩列，分別為x坐標和y坐標，兩列之間用“Tab”鍵隔開[26]。 在前面板插入x-y圖，按照圖4.9正確設置x，y軸所代表的數(shù)據(jù)。x軸為微應變，y軸為載荷。3條曲線分別是應變片0、10mm、20mm處的受力與應變。 圖4.9 梁的純彎曲實驗曲線圖 使用讀取表格文件這一函數(shù)來進行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 梁的純彎曲實驗曲線圖程序圖 因為是在同一個曲線圖內(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。設置方式由圖4.11展示。 圖4.11 梁的純彎曲實驗矩陣程序圖 4.6 梁的純彎曲正應力實驗數(shù)據(jù)處理 實驗結(jié)束后由公式計算出五個實驗值[28]。具體顯示為圖4.12中的5個數(shù)據(jù)。 圖4.12 梁的純彎曲實驗數(shù)據(jù)處理圖 將算術(shù)符號與正確的常量相連，計算出五個實驗值后由顯示控件顯示在前面板上。將數(shù)值代入公式，則程序為圖4.13。 圖4.13 梁的純彎曲實驗數(shù)據(jù)處理程序圖 4.7 報表生成實現(xiàn) 報表是實驗的最后一步，整體的展示整個實驗的全部數(shù)據(jù)和實驗過程中數(shù)據(jù)的變化，其中5個經(jīng)過計算實驗值以及一份xy圖。實際的報表與圖4.14展示的相同。 圖4.14 梁的純彎曲實驗報表圖 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，正確設置控件。分別創(chuàng)建數(shù)據(jù)的“值”屬性節(jié)點和xy圖的“導出圖像”調(diào)用節(jié)點。將這些節(jié)點按順序與報表控件相連，再創(chuàng)建條件語句，即可在運行后生成報表。報表生成工具及“值”屬性鏈接如下圖4.15。 圖4.15 梁的純彎曲實驗報表程序圖 結(jié) 論 這是一個擁有強大的適用性功能的課題,本次設計有極大的使用價值，而且在發(fā)展方面仍有很大的進步空間。本文分析總結(jié)了前人的研究，結(jié)合現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展趨勢，設計了基于LabVIEW的材料力學實驗模擬系統(tǒng)，使用LabVIEW開發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的實驗模擬系統(tǒng)軟件，達到了預期的目的。 在課題設計論文的第一章中我詳細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的好處進行了介紹。虛擬儀器突破了傳統(tǒng)儀器的概念，是計算機系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)有機結(jié)合的產(chǎn)物。利用計算機系統(tǒng)強大功能和突出的性價比，結(jié)合相應的硬件，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?，其特點是經(jīng)濟靈活，維護、擴展、升級方便。 在接下來的第二章中，完成了低碳鋼軸向拉伸實驗的模擬，介紹了拉伸實驗模擬系統(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)。其中的難點是通過實驗數(shù)據(jù)生成了拉伸實驗的曲線圖，并對曲線進行了三次樣條插值處理，從曲線圖中可以通過光標自動加載四個極限應力值。 第三章完成了彈性模量與泊松比的測定實驗的實驗模擬，在第四章模擬了梁的純彎曲正應力的測定實驗，在模擬系統(tǒng)中，通過實驗目的、儀器、實驗過程來指導實驗。通過視頻嵌入，展示了實驗過程，同時，為了便于了解實驗過程中數(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 [1]胡超, 程建鋼, 韓錫斌. 《材料力學》多媒體仿真教學實驗系統(tǒng)[J]. 力學與實踐, 2002, 24(6):68-71. 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