虚拟实验教学平台

力学虚拟仿真实验中心的实验教学平台主要包括以下三个:基础力学教学平台、专业综合实验教学平台、创新与实践教学平台。
一、基础力学教学平台

1、理论力学课程

包括运动演示,摩擦系数和科氏加速度测试,刚性转子动刚度和动反力实验。

运动演示:中心研制的“理论力学常见运动机构动画及轨迹演示系统”,对于学生认识、理解机构运动、进行复杂运动分析有很好的帮助。

科氏加速度测试:该实验实体设备“科里奥利力实验仪”获得“第三届高等学校自制实验教学仪器设备评选及优秀作品展示活动(2014年)”最具实用价值作品二等奖,可以加深对惯性力的理解;旋转坐标系下科氏加速度方向的判断,大小的计算方法;旋转坐标系下,科氏力方向的判断和大小的计算。

2、材料力学课程

包括金属(钢、铸铁)拉伸、压缩、扭转实验,材料力学性能综合研究实验,电测动态应力实验,落槌冲击实验。

金属拉、压、扭实验:直观学习、掌握金属(钢、铸铁)材料基本受力过程中的力学特点。

材料力学性能综合研究性实验:该实验实体设备获得“第三届高等学校自制实验教学仪器设备评选及优秀作品展示活动(2014年)”最具实用价值作品二等奖,是以综合性实验项目样机为典型案例,可进行多种约束的梁的弯曲实验、复合应力实验、功的互等定理等实验,这样的综合性实验装置在其它院校尚未见到,学生可以利用这一装置自行设计实验。

3、流体力学课程

包括卡门涡街的流动显示,氢气泡流动显示数字图像处理。实验中心流体力学实验包括原理设计型实验(20个)、操作技能型实验(20个)、综合研究型实验(4个),工程研究型应用型实验(20个)。后两类从科学基金和工程应用型研究成果提炼转化而来的专题性实验。通过虚拟实验学习,使学生掌握流体力学现代实验技术和基本理论、认识流动机理和规律、熟悉流动控制技术、培养科学研究的能力和创新能力。

二、专业综合实验教学平台

1、实验力学课程

包括光弹力学实验技术、高层建筑结构强度性能综合性实验、骨力学压电实验。

高层建筑结构强度性能综合性实验:是为了提高学生处理工程实际问题的能力,提高学生参加实验的兴趣,在科研和工程项目成果基础上,开设的具有创新性、综合性的实验项目。该高层建筑原型是一座43层的内筒外框结构高楼,模型按1:70的尺度制作而成。曾用该模型完成了风力、自重等载荷作用下结构强度的测量,有关成果2002年获得天津市科学进步二等奖。

2、振动力学课程

包括振动参数测试、车—桥耦合系统模态实验、车—桥耦合系统动态应变及冲击系数测试实验、龙洗综合振动实验、非线性振动分岔实验。

车—桥耦合系统模态实验:分别对车辆激励、随机激励作用下斜拉桥模态进行测试分析,目的是学习并掌握桥梁结构模态参数的测试与分析方法,能够使用测试分析系统以及相应的软件;掌握不测力算法进行模态参数识别的原理和方法。

车—桥耦合系统动态应变及冲击系数测试实验:包括两部分内容:动态应变测试实验,即对车辆过桥时,桥梁各测点的动态应变数据进行采集,并分析;冲击系数测试实验,即设置正常跑车和跳车实验工况,分别采集加速度信号和动态应变数据,分析相应的冲击系数。本实验的目是掌握结构系统动态应变测试方法;掌握桥梁结构冲击系数的概念,能够分别利用加速度信号和动态应变数据计算冲击系数;能够使用动态信号测试系统及相应的软件,并对实验结果进行合理的分析。

龙洗综合振动实验:了解振动测量方法的综合应用;应用虚拟仪器进行振动测量;正确区分理解强迫振动中的“共振”与自激振动概念;确定振型的整体空间概念;了解在高频激振条件下低频共振的大幅重力波现象。

非线性振动分岔现象:振动是自然科学、工程科学中最常遇到的物理现象之一。随着工程结构和机械向高、大、柔、快速方向的发展,材料、几何和运动的非线性因素十分突出,振动中产生了跳跃、滞后、多幅值共存等分岔现象。压杆稳定、管道屈曲问题是典型静态分岔现象;大跨度电线舞动转子振荡和喘振、机翼颤振、摩擦尖叫、火箭POGO振动、汽车前轮摆振、大跨度输电线/斜拉桥晃动是典型动态分岔。

本实验演示生活、工程问题中存在的典型的动态和静态分岔,认识动力学在现代科技和重大工程中的作用。

3、测试技术课程

包括振动与模态激光测试技术、流动PIV测试技术、纳米力学测试技术。配合相关专业实验课程的学习,预先了解实验仪器基本结构、测试原理、操作规则、注意事项等,为高质量完成实体和虚拟实验做好充分准备。

振动与模态激光测试技术:学习激振器和激光测振仪的使用方法;了解激振器法中不同激励信号的优势和缺点;学习MIMO的实验模态分析技术。 

流动PIV测试技术:学习PIV(粒子成像测速)测试原理,PIV测试系统的使用方法;演示科学研究和解决工程问题中的PIV 测量,包括实验管道内楔形流量计流场、石油管道输运高分子聚合物溶液添加剂减阻、飞机表面沟槽蒙皮减阻、超疏水材料泳衣减阻、半圆形防波堤流场等。

4、工程问题实验

包括航空发动机转子动力学、近岸海域水波传播与演化的仿真实验、住宅小区空气污染的水槽染色流动显示,配合专业选修课程“力学与工程”、“力学与科研”的学习。

航空发动机转子动力学:航空发动机被誉为现代工业皇冠上的明珠,代表了一个国家的最高工业水平。航空发动机转子部分结构复杂,静、动力学问题典型,包括双转子超静定约束、高速动平衡、固有频率和共振分析、机动飞行中的惯性力和科氏力分析、分析力学及动静法在建模中的应用、流固耦合作用与运动稳定性等。本实验是理论力学、振动力学理论(包括稳定性理论)在工程上的综合应用;认识动力学在现代科技和重大工程中的作用。

近岸海域水波传播与演化的仿真实验:本项目以海岸工程中常见的水波问题为背景,以本学科有自主知识产权的“数值波浪水池”软件为平台,构建斜坡海岸、防波堤口门、圆形浅滩等海岸工程中常见的地形和结构,设置不同的设计波浪参数,研究地形、结构物、入射波浪参数等因素作用下水波的浅化、折射、反射和绕射等特征,使学生了解近岸海域水波数值模拟的基本思想和一般建模方法;加深对水波的浅化、折射、反射和绕射现象及其主要影响因素的认识;初步认识数值模拟在海岸工程设计和建设中的作用。

住宅小区空气污染的水槽染色流动显示:虚拟试验中,学生可以设置多种烟囱的位置和高度,观察小区的空气污染状况。认识流体力学实验在工程设计和建设中的作用。

三、创新与实践教学平台

制造与交通运输

大型盾构机构力学。

生物医学工程

包括细胞在微流动和电学环境中的运动模拟实验,力学参数对动脉瘤中心脏支架起效机理的模拟实验,生物材料的手性效应模拟实验,动静脉内瘘手术后瘘口附近流场的仿真实验。

流体机械

新型干气密封槽型及气动性能:干气密封是目前石化领域动力运行装置中高速旋转机械轴端非接触密封的一种高新技术。其运行原理是基于高压惰性气体在轴端动、静环之间随主轴旋转由特定凹槽产生具有一定气动刚度的3-5μm气膜,达到密封工作气体介质的作用。由于测量仪器以及测量空间限制,难以实施实际实验测试,数值模拟是真实展现其运行过程和效果的最佳手段。我们与国内该方面生产厂家和企业开展合作十余年,采用fluent软件以及自主开发程序对不同运行参数和槽型的气动性能实施动态演示、优化设计和新产品开发,结合理论分析动、静环的热力变形。
离心流体机械的运行原理:离心叶轮式流体机械是石化、冶金、汽车行业用于气体增压、输运的旋转动力设备,运行原理涉及空气动力学、热力学等学科。由于实际运行的封闭性和几何结构的复杂性,学生难以理解和掌握其工作原理,数值模拟可以通过流场流线、速度矢量演示真实运行过程并给出多工况气动性能曲线,使学生在形象生动的操作中深刻领会抽象的理论知识。