郭東辰，崔權(quán)維，王亞輝，崔岱曦，蘇浩楠

(新疆大學(xué) 機械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

傳統(tǒng)的力學(xué)實驗教學(xué)不僅較難滿足學(xué)生獨立實驗的需求，而且成本較高，具有危險性。伴隨著我國高等教育事業(yè)的發(fā)展，這些現(xiàn)實問題更加嚴(yán)峻[1]。此外，在新型冠狀病毒導(dǎo)致的公共衛(wèi)生危機中，如何消除線下教學(xué)阻隔、保證實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的正常開展是當(dāng)前亟待解決的問題。

目前應(yīng)用于教學(xué)的虛擬仿真技術(shù)已較為成熟。國內(nèi)已有一定數(shù)量的院校開發(fā)出與材料力學(xué)相關(guān)的虛擬仿真實驗系統(tǒng)[2]。Unity 3D是一種廣泛應(yīng)用的實時內(nèi)容開發(fā)平臺[3]，用于創(chuàng)建多種可視化交互場景。在應(yīng)用Unity 3D環(huán)境方面，大連海事大學(xué)的度紅望等實現(xiàn)了氣動虛擬實驗的開發(fā)[4]；石家莊鐵道大學(xué)的郝孜奇等進行了鐵路實訓(xùn)虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)[5]。C#可作為Unity 3D的腳本編程語言，在C#編程語言應(yīng)用與開發(fā)方面，中國石油大學(xué)的萬勇等搭建了面向用戶的操作界面，研發(fā)出一套管道缺陷類型識別實驗系統(tǒng)[6]。此外，實驗系統(tǒng)的部分功能依賴于Windows窗體。在Visual Studio(以下簡稱VS)內(nèi)可編寫Windows Forms Application項目(以下簡稱WinForms)，并進行版面和組件設(shè)計。因此，在軟件開發(fā)過程中將Unity 3D和C#編程技術(shù)相結(jié)合，能夠使系統(tǒng)功能更加完備。以上高校開展的虛擬仿真實驗項目特色鮮明，但尚不能成熟應(yīng)用于邊疆高校系統(tǒng)性的力學(xué)實驗教學(xué)中。為解決該問題，本文基于上述技術(shù)開發(fā)出一套沖擊韌性實驗虛擬仿真系統(tǒng)。其中軟件根據(jù)實體教學(xué)中獲取的數(shù)據(jù)樣本建立數(shù)學(xué)模型；通過觸發(fā)按鍵和動畫模擬功能，提高了系統(tǒng)的交互性和體驗感[7]；實驗步驟示范和提示保證了教學(xué)的指導(dǎo)作用；選擇題模塊則可鞏固學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。系統(tǒng)在各項功能得到實現(xiàn)的同時又不至過于復(fù)雜，便于安裝和投放至網(wǎng)站，對設(shè)備的版本、性能要求低。

1 數(shù)學(xué)模型的建立基礎(chǔ)

沖擊韌性實驗需要在多個環(huán)節(jié)獲取數(shù)據(jù)，因此需要確定各個測量項目中數(shù)據(jù)的合理范圍和閾值，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。Random類是一種產(chǎn)生偽隨機數(shù)字的類,采用其構(gòu)造函數(shù)New Random(),可用于生成指定范圍內(nèi)的數(shù)值，不需要特別調(diào)用其他功能復(fù)雜的函數(shù)。為保證數(shù)據(jù)的精確性，還需將數(shù)據(jù)類型設(shè)置為雙精度浮點數(shù)。應(yīng)用以上函數(shù)可在合理范圍內(nèi)生成試樣的外部尺寸、截面尺寸和沖擊吸收功數(shù)據(jù)。

實驗中試樣的材料分別為塑性材料和韌性材料，故需要兩個功能相同的模板分別進行計算。

由于擺錘式?jīng)_擊試驗機不能直接讀出材料的沖擊韌性，需要將所得的沖擊吸收功數(shù)據(jù)進行處理，故須引入沖擊韌性計算的數(shù)學(xué)模型，即:

(1)

其中：αK為沖擊韌性；AK為試樣的沖擊吸收功；S0為試樣缺口底部處的橫截面積。該部分無需引入其他函數(shù)，直接在代碼中輸入運算符號即可。

2 場景模型和動畫的制作

基于SolidWorks 2016和Unigraphics NX設(shè)計視窗軟件，通過拉伸、切除和裝配等指令建立場景模型。其中試驗機支架、擺錘工作半徑、刀刃部分和試樣均根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2007[8]確定規(guī)格，如圖1所示。

圖1 SolidWorks模型制作環(huán)節(jié)

為使實驗場景更貼近真實環(huán)境，借助KeyShot和3D Studio Max進行材質(zhì)的渲染，如圖2所示。

圖2 KeyShot中場景渲染界面

為表現(xiàn)實驗的動態(tài)過程，借助3D Studio Max和Unity 3D進行動畫的制作[9]，其主要步驟如圖3所示。

圖3 實驗動畫的制作流程

3 系統(tǒng)交互性設(shè)計

虛擬實驗系統(tǒng)的交互性設(shè)計高度依賴腳本的編寫，腳本是使用特定描述性語言、根據(jù)一定格式編寫的可執(zhí)行文件。Unity的腳本化使開發(fā)效率得以提高，所以沖擊韌性實驗系統(tǒng)開發(fā)過程中使用C#語言編寫腳本，實現(xiàn)演示動畫的播放、鍵盤控制視角、鼠標(biāo)拖拽物體和旋轉(zhuǎn)觀察實驗試樣等操作。系統(tǒng)交互性開發(fā)的實現(xiàn)方法如圖4所示。

圖4 虛擬實驗系統(tǒng)交互性的實現(xiàn)

以場景漫游為例，實現(xiàn)鍵盤按鍵控制系統(tǒng)操作的基本方法是：首先對UnityEngine命名空間進行引用, 并創(chuàng)建空物體和攝像機camera，將按鍵、空物體和攝像機綁定在一起；然后聲明變量 m_movSpeed等，限制視角移動速度；綁定Transform、GetAxis組件變量，賦予物體和視角的位置參數(shù)并使攝像機跟隨鼠標(biāo)移動；最終使用GetKey組件，綁定鍵盤“W”、“S”、“A”、“D”和“Space”鍵，從而實現(xiàn)物體的“前”、“后”、“左”、“右”和“跳躍”動作[10-12]。

除場景漫游之外，系統(tǒng)還具備拖拽實驗用具的功能，以及對制作的動畫文件進行播放設(shè)置，使用戶操作時收到虛擬實驗現(xiàn)象反饋的功能。腳本代碼的編輯既可先在VS中進行然后導(dǎo)入Unity 3D的項目編輯器中，也可直接在Unity 3D內(nèi)部使用MonoDevelop編輯器編寫。MonoDevelop是一種同時適用于Linux、Mac OS X和Windows系統(tǒng)的代碼集成開發(fā)環(huán)境。

實驗數(shù)據(jù)、課后測試部分和實驗器材交互相對獨立，使用VS創(chuàng)建WinForms應(yīng)用程序和用戶界面，用該工具可直接對窗體的版面和功能進行設(shè)計，毋需編輯過多代碼。基本的操作方法有拖拽組件、編輯組件屬性和功能算法編寫等，將按鍵和文本框同程序聯(lián)系起來。

將窗體文件編輯完成后，需要通過腳本將這些文件與在Unity中的實驗界面對接。Graphical User Interface(以下簡稱GUI)也稱作圖形用戶界面，是指以圖形形式顯示的計算機操作界面。引用窗體文件時首先需要將窗體文件轉(zhuǎn)換為.exe格式，然后在腳本中創(chuàng)建一個GUI，再于實驗界面中制作一個button按鈕，最后在button下寫入讀取.exe文件的路徑。

4 沖擊韌性虛擬仿真實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用

沖擊韌性實驗虛擬仿真系統(tǒng)各項實驗?zāi)K功能完整，與線下實驗內(nèi)容保持一致，滿足了工程力學(xué)教學(xué)大綱的需要。該系統(tǒng)可劃分為五個部分，如圖5所示。

圖5 沖擊韌性虛擬仿真實驗菜單

“實驗原理”是實驗的理論基礎(chǔ)部分，內(nèi)容介紹了實驗?zāi)康?、沖擊吸收功和沖擊韌性的概念和測定方法。用戶只需點擊按鍵就能開始閱讀。

“實驗步驟”、“數(shù)據(jù)處理”、“課后習(xí)題”和“生成報告”屬于虛擬實驗部分，需要學(xué)生動手操作。點擊“實驗步驟”，按照文本框內(nèi)的提示，通過點擊相應(yīng)的模型觸發(fā)動畫模擬實驗過程，例如安裝試樣、啟動試驗機等。

試樣被試驗機擺錘沖斷后點擊菜單按鈕，系統(tǒng)通過窗體給出合理范圍內(nèi)沖擊功的隨機值。學(xué)生獲得數(shù)據(jù)后，點擊“數(shù)據(jù)處理”，將所得數(shù)值填入表格中，系統(tǒng)將通過程序自動計算該材料的沖擊韌性。實驗操作界面如圖6和圖7所示。

圖6 測量試樣尺寸

圖7 沖擊吸收功測量界面

結(jié)束實驗操作，點擊“生成報告”即可導(dǎo)出一份可編輯的實驗報告，學(xué)生可根據(jù)需要進行完善、保存和打印。

實驗完成，學(xué)生可點擊“課后習(xí)題”按鍵進入課后鞏固環(huán)節(jié)，完成相關(guān)習(xí)題，系統(tǒng)將根據(jù)提交結(jié)果核算分數(shù)并給出正確答案供學(xué)生參考。

因某高校沖擊韌性實驗設(shè)備短缺，故于2020-2021學(xué)年第一學(xué)期，對五個教學(xué)班級115名學(xué)生使用該軟件進行沖擊韌性虛擬仿真實驗教學(xué)，通過提交實驗報告和整個實驗過程，學(xué)生反饋虛擬仿真實驗容錯率較高，操作更加方便，可以短時間內(nèi)完成多項數(shù)據(jù)的處理，一致認為虛擬仿真實驗可以結(jié)合真實實驗，達到混合式實驗教學(xué)的目的。學(xué)生實驗報告得分統(tǒng)計如圖8所示。

圖8 學(xué)生實驗得分統(tǒng)計圖

5 結(jié)語

本文在使用C#語言編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能的基礎(chǔ)上，通過Unity 3D平臺建立了沖擊韌性虛擬仿真的數(shù)學(xué)模型，完成了場景模型、動畫的制作和系統(tǒng)交互性設(shè)計，制作的沖擊韌性虛擬仿真試驗系統(tǒng)具備交互性和沉浸感[13]。通過學(xué)生使用該仿真實驗平臺并反饋，結(jié)果表明該虛擬仿真實驗可調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動手能力和科研素養(yǎng)，又不失實驗本身的嚴(yán)肅性、科學(xué)性,同時能夠以較低成本達到教學(xué)目標(biāo)[14]。針對邊疆高校力學(xué)實驗設(shè)備臺件數(shù)不足的現(xiàn)狀，改變思路，將線上線下的教學(xué)方式相結(jié)合，對于建設(shè)高等教育信息化、探索混合式實踐教學(xué)模式有較強的指導(dǎo)意義。