基于可视化技术的材料力学实验课程创新与设计

黄 凯， 王正直， 吴文平， 何 勇， 尹 颢

（武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072）

0 引 言

新工科背景下，“学科交叉性”显著的材料力学实验，是众多高校本科专业实验科目中的必修之课，是与工程项目、产业应用和科学研究密切联系的一项综合性实验［1］。实验课堂教学质量对大学生的综合实践能力的培养起到关键作用［2］。然而经过多年的课堂教学，发现相当一部分学生对材料本征、受力状态和宏观变形行为，这几种“联动影响，互相印证”的概念和现象理解还不是很清晰，对其作用机制了解程度较低，导致了实验做完后，只知道发生了什么实验现象，而不清楚这些现象背后的机理。这不仅影响了基础知识的吸收，也会导致人才培养的滞后，因此材料力学实验课程的改革创新势在必行。基于多场耦合监测技术手段的创新，对主要实验课程内容进行了可视化设计，利用多媒介对实验授课形式进行了优化，从观测角度丰富了实验内容，旨在让学生看清实验现象背后的“本质”。

1 基于可视化技术的材料力学实验课程的创新内容

材料力学本科基础实验课涵盖了拉伸压缩、扭转、弯曲等多项综合实验，这些分项实验区分并验证了材料的固有属性，又重点关注材料的受力和变形行为（宏观和局部）［3-5］。课程内容设计的重点是为了让学生充分了解材料受力时变形演化的机理，加深对材料力学行为的认知。为达到此效果，行之有效且直接的办法是将实验过程中难以观测的特征要素用视觉图的形式表现出来，带给学生强烈的感官感受，引导学生对实验原理自主思考和充分理解。因此对材料力学中几个主要课程内容进行了创新设计，力求用新技术充分展示材料力学中那些典型、重要却又难以理解的知识点。

1.1 拉伸压缩实验

可视化技术包括红外热像技术、形貌图像技术和数字散斑相关技术（DIC），可分别系统表征出材料的表面温度场、形貌场和应变场［6-8］。由于物体在形变时，发生体积应变变化，因此同时会带来温度改变，这一经典热力耦合现象是材料受力时的伴生现象［9］。而传统实验里这一项并不在探究范围内，只是在试验结束后让学生去接触试件感受温度变化，学生只知其然，不知其所以然。温度变化可能由于弹性、塑形或者相变等引起，不同的受力变形机理有着不同的温度场［10-11］。因此在试样受力时对其进行同步红外热像观测，用温度演化去辅助解读拉伸压缩的荷载-变形曲线上的不同阶段，这对于理解材料力学性能起到了重要的促进作用。

以灰口铸铁和Q235 低碳钢拉伸实验为例，如图1所示，灰口铸铁在拉伸过程中，轴向伸长体积膨胀，由于热膨胀系数为正，从而导致温度单调下降，在破坏的瞬间，仅在断口处有热量释放。Q235 在加载第1 阶段是弹性变形，在曲线上是线性变化，由于体积应变为正，此时温度出现下降趋势。第2 阶段为屈服，理论上可以看到45°滑移线，但往往受反射光线和观测空间所限，较难用肉眼观测，而屈服初期是材料塑形变形的开端，是微观形变导致宏观失稳的表现［12］，滑移线上的温度出现突然上升，此时学生可通过热像图清楚地看到45°滑移线的形成，进而验证了该理论知识点。随着滑移带在轴向传播，微观塑形区逐渐增加，同时温度也会沿轴向传导，形成温度梯度。第3 阶段由于塑性变形导致了温度明显升高，且随着塑性累积越多，温度越高。第4 阶段是试样在局部发生变形破坏，局部颈缩区域的温度会进一步升高，在裂纹处达到最高值，可以看到较为明显的边界。基于弹塑性理论分析，通过温度视角，将这4 个阶段分解成热像图，同步可视化教学，既挖掘了深度，又激发了学生探究的热情。随着测试技术逐渐成熟，除了常规的脆性、塑性材料外，该教学实验更加适应多场耦合效应更显著的其他材料，具有较强的普适性。

图1 灰口铸铁和Q235低碳钢在轴向拉伸下红外热像图及选区温度随时间演化关系

1.2 梁的弯曲实验

目前梁弯曲教学实验中应变测量主要采用电测法，优点在于设备原理简单，操作方便，实验数据精确，但也存在着一些缺点，如仅限于小范围弹性变形（＜2%），应变仅能数字化多点显示［13］。学生看不到到梁截面上的变形，只能通过数据拟合才能求取应变分布，导致对微应变在概念上较为模糊。因此将现有装置进行了改良，利用同步数字图像相关（Digital Image Correlation，DIC）技术进行测试，增大检测范围（弹塑性），可实现全场检测。试件受力时会在X 和Y 方向（轴向与垂向）上连续变形，利用光学相机同步原位捕捉位移变化，并导入显示器，可高清实时地进行观测、分析和处理，以应变云图的方式原位显示表面的应变状态。如弯曲实验中，检测弯曲正应力时选择X 方向，获得该方向上的正应变εxx在整个试件上的分布云图。通过应变标尺可清楚看到中性层与两个表面之间应变梯度，从而验证了正应力在截面分布的规律。以具体实验为例，如图2 所示，在三点弯梁跨距中轴受到顶部集中荷载时，截面上的弯矩梯度导致正应力和切应力在不同位置上分布的差别，其中弯曲正应力的最大值在梁上下两边表面（大小接近、符号相反），而在中性层的轴线接近为0，越靠近梁跨距中轴应变梯度越大，所选线段的斜率（应变梯度/截面长度）越大。在大变形悬臂梁实验中，上表面受拉、下表面受压，端部的弯矩最大，两个表面的应变梯度也很大（见图2（b）中线L1）；远端弯矩最小，应变梯度也小（见线L4）。记录数据时可选择云图上任意点或线来获得选取的应变大小及分布，操作简单，流程清晰。该弯曲实验课程内容将弯矩的作用图像化阐明，更加新颖直观，所使用的新技术手段更符合现代多媒体可视化互动教学。

图2 三点弯梁和大变形悬臂梁实验的DIC应变云图及所选线应变大小及分布

1.3 材料断裂破坏实验

该课程研究对象是带有I 型裂纹的预制缺口试件，主要关注两个关键点，一个是裂尖应力强度因子KI，另一个是断裂韧性KIC，也就是裂纹扩展时应力强度因子的临界值［14-15］。其中裂尖强度因子KI的传统测试实验主要是基于光弹法，而该方法主要是通过加工跟试件同尺寸的树脂模型来代替受载，其优势在于可以将应力状态用光的干涉和衍射花样来表示，缺点在于非该材料的本征表达［16］。为解决这一问题，基于变形热力学理论分析，可知裂尖K 主导的塑形区和弹性区有不同的体积应变产生，从而导致不同区域的温度变化。塑性区半径约为（σs为屈服强度），其作用区域是一个非常小量，其产生的热量很小，容易被传导耗散，而弹性区半径约为0.2a（a 为裂纹长度），范围大且产生弹热效应较为明显，并且该区域中体积应变和温差是线性关系。而在同一尺寸、相同荷载下，取点KI与裂尖距离无关，学生可在K 主导区中心沿着裂尖呈0°的轴线上等距离取点，发现随着离裂尖越远，测点温度差越低。随后将所有取点的距离开方和温度值求得的体积应变导出到作图软件，获得散点分布，其斜率就代表了KI。因此可利用红外热像技术同步检测和实时记录加载过程中裂尖温度变化的全过程，从而获得试件上裂尖KI估值，如图3 所示。这种原位检测方法的优点在于可以将应力-应变场的概念具象化，转化成带有梯度边界的热像图，方便实时监测和分析，是对KI理论知识点强有力的印证。同样在测量KIC时也可利用高速摄影DIC 技术来分析裂尖应力、应变和位移场，如检测沿X 轴上微散斑位移，获取该方向上的应变云图，从而显示裂尖K 主导区；分析裂纹尾迹线上各点的位移场形成扇形云图，获得开口位移与距离裂尖长度，显示呈单调变化。该课程内容改善了利用荷载-裂纹开口位移曲线测量KIC的单一性和偶然偏差性，验证了裂纹张开时的原位应力场状态，更有利于断裂韧性的确定，为实际教学作出了良好补充。

图3 裂尖检测全过程的可视化结果

2 教学仪器设备的综合改造

基于上述多个课程新增的内容，为满足同步原位测量的实验要求，将不同仪器设备功能融合，开发更具教学特征的仪器设备，并将不同仪器设备连成系统性的综合装置，尽量简化与教学实验无关项，提高学生使用效率。综合改造主要为设备功能开发与优化、软硬件配置优化这两方面。

（1）将现有设备功能深度开发，从细节上优化教学实验。例如，在拉伸压缩实验中，为了实现同步测量，将材料测试机、红外热像仪和高清摄像机加装了5 V同步触发外设，并设置了激发信号，可同时触发3 台设备，时间延迟接近0，这样的改进能使得学生在清楚看到变形的同时，温度和形貌是如何按照曲线上的关键点进行演化的。又如，在利用DIC 技术测弹性模量和泊松比实验中，开发了多软件同步管理系统，可以同时显示几种不同软件的界面，实现多界面操作并且互不干涉，使得非接触式测量与机械式引伸计测量可同时进行，扩展了学生的实验思维。还有，在疲劳实验教学中，开发了一套目标运动跟踪软件，可以跟踪标记后的裂纹，并显示尖端区域标记的开口位移变化，方便实时监控和对比处理。

（2）综合装置的创新，发挥可视化教学实验优势。实验教学经验表明，利用电子拉伸试验机做可视化拉压破坏试验，有教学上的优势，主要表现为大尺寸试件变形破坏明显、学生容易被实验现象吸引，但也存在着一些劣势，如所需空间大、设备受限、学生实际操作过程少，多数依赖于演示和观察。为改善教学上存在的这类问题，设计了一套综合性实验装置，可适用于梁、板以及其他类型的拉压、弯曲、剪切等试验。改造内容包含两个主要部分，首先搭建了一套多功能加载装置框架，在一端固定放置一台小型手动拉伸架（自主研发），带有荷载传感器、标尺、数显仪和夹头接口，适用于各种材料小尺寸试件的静态拉伸，适合学生动手，方便观察和读数；其次了建立了一套同步高清连续采集摄像装置，将承载相机的云台安装在框架底座上的导轨内，可沿着X，Y 两个方向移动，便于调节焦距及固定位置。相机选用高分辨微距镜头（可拆卸更换型号），带有辅助灯光，hdmi 口及usb 接口，并将拍摄的图片传输到显示器，类似于工具显微镜的功能（图像分辨率可达0.03 mm 每像素），可快速检测手喷散斑的大小和质量，实现原位加载连续拍摄。采集系统可以将连续照片按时间排序并重制编号（省去手动编排），之后再导入到DIC 分析处理软件系统，实现测量。改造的综合装置重量较轻、所占空间较小，可放置在实验桌台上，50 m2的实验教学教室可以至少放下12 套，非常适合于统一演示、教学和分组测量。

3 基于可视化实验教学的课堂改造与课程设计

由于可视化实验内容更加丰富，对实验教学课堂提出了更高要求，因此对传统教学课堂进行了改造和布置，尤其注重细节。例如拉伸压缩实验课堂，一般情况下，平均5 人1 组，共分3 组，试验步骤一般分为试件尺寸测量、试件喷涂与加载测试。改进后的多场耦合可视化课堂在分组不变的情况下，需要对工具和场地进行优化。为了实现试件同步测温，需添加实验工具，如按试件尺寸定制的覆盖模型、喷灌、热风机等，表面均匀喷涂黑漆，保证红外辐射均匀且不受干扰。为预留专业通风的场地供学生操作，将现有试验区进行规划改造布局，方便现场演示和实际操作。加载测试所用到的设备为电子拉压试验机、红外热像仪、高清摄像机和数据处理显示终端。为了在加载时同步观测试件的形貌场和温度场演化，设备应按照最适合给学生演示的位置提前进行摆放，且在放置后标记固定位置，可重复使用，节省准备时间。为了便于实验时同步观测荷载-变形曲线、温度演化和形貌变化，需要将这3种观测界面优化放在显示终端上，并做好时间同步。显示终端与试件本身处于一个高度空间，既不影响学生观测试件，也避免了漏掉实验现象。

实验课程设计主要包括：实验海报设计、模块分工（精细化分组）和实验报告。实验海报充分凝练课程内容要点、体现实验目的、归纳实验方法，附操作细节图解，尽量做到“精”和“高亮”，让学生理清思路、抓住重点。与传统板书不同，海报可做成移动式框架，并用记号笔标记和擦拭，可跟随不同功能区域摆放，发挥提示功能。实验开始前，预制了模块分工表格，表格上有分区标示。例如拉伸实验，5 人1 组，1 人负责尺寸测量，2 人打磨试件并喷漆，1 人负责安装调试等，由不同成员牵头完成各项准备工作。此过程中，实验老师起到引导和核查作用。不同分组按照区域由指导老师带队引导，使得实验程序高效但不杂乱，让学生专注于实验、享受实验过程。实验报告做了内容上的改动，多元化考查学生在课堂上学到的知识吸收情况。例如，添加了“在低碳钢的拉伸过程中，你观察到了那些热力耦合现象，请结合荷载-位移曲线进行描述”“散斑尺寸大小和散点分布对所测的应变值有哪些影响”“由观测的应变云图和热像图，画出裂尖K 主导区示意图”等论述题。学生在做题时，可用回顾课堂实验海报，帮助巩固所学知识。通过批阅不同专业学生的实验报告，发现课程确实加深了学生对于热力耦合现象、受力状态和变形机制之间联系的认识。

4 结 语

材料力学教学实验引入了最新的多场同步观测技术，将发生的热力耦合宏观和微观现象以可视化的红外热像图和全场应变云图的形式进行诠释，对主要课程内容进行了设计编排，在教学内容科学性上为新工科实验课堂作出了创新。主要新增了不同材料的拉压、弯曲、断裂等实验中相应的热力学内容，开发了仪器设备的新功能，整合成系统性的教学仪器，并设计了深入浅出的互动式实践课程，有利于学生充分了解材料力学的关键知识点，更为直接地启发学生，引导他们在课程中思考和探索，开阔他们的科学眼界，切实提高了学生的参与积极性。

·名人名言·

天才的最基本的特性之一——是独创性或独立性，其次是它具有的思想的普遍性和深度，最后是这思想与理想对当代历史的影响，天才永远以其创造开拓新的、未之前闻，或无人预料的现实世界。

——别林斯基