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振動力學(xué)三維虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)簡介

振動力學(xué)是機械、力學(xué)和土建專業(yè)二級學(xué)科主干專業(yè)課。振動力學(xué)專業(yè)培養(yǎng)具備力學(xué)基礎(chǔ)理論知識、計算和試驗?zāi)芰?，能在各種工程（如機械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等）中從事與力學(xué)有關(guān)的科研、技術(shù)開發(fā)、工程設(shè)計和力學(xué)教學(xué)工作的高級工程科學(xué)技術(shù)人才；工程中稱振動問題研究的對象為系統(tǒng)，它可以是一個零部件、一臺機器或者一個完整的工程結(jié)構(gòu)等等；稱外界激振力等因素為激勵或輸入；稱作用于系統(tǒng)后使之產(chǎn)生的振動為響應(yīng)或輸出。通過該虛擬仿真軟件主要讓學(xué)生學(xué)習(xí)掌握《振動力學(xué)》課程基本的實驗方法及其基本知識。

本虛擬仿真實驗室軟件可滿足以下主要功能：

本系統(tǒng)在網(wǎng)上開展虛擬實驗課程，課程模擬真實實驗中用到的器材和設(shè)備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境；B/S結(jié)構(gòu)，支持網(wǎng)頁界面操作方式，軟件首頁支持學(xué)生、課程教師、教務(wù)管理員、系統(tǒng)管理員使用不同的身份登錄軟件；不同的身份具有不同的操作權(quán)限；提供系統(tǒng)管理功能，包括用戶、分組、角色、權(quán)限、日志管理等；支持完整的教學(xué)過程管理功能，包括開課管理、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學(xué)安排、實驗結(jié)果的批改、實驗成績統(tǒng)計查詢等功能；同時可以和虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺無縫集成；

為保證軟件的交互性和擴展性，本軟件采用國際領(lǐng)先的Unity3D引擎開發(fā)而成，且插件在近1年內(nèi)有更新版本，并可支持后續(xù)的優(yōu)化升級。軟件交互性良好，用戶在場景中，通過鼠標(biāo)、鍵盤的交互，實現(xiàn)在場景中走動，通過視角旋轉(zhuǎn)、拉近觀察場景元素中的細(xì)節(jié)，支持用戶從任意視角、任意距離觀察實驗臺。

提供實驗器材欄，器材欄在實驗過程中，用戶可以隨時選擇收起和展開，同時也可以將器材欄拖動到任意位置；軟件提供視圖選擇功能，便于用戶快速切換到對應(yīng)視角進行操作或觀察實驗現(xiàn)象；軟件采用虛擬現(xiàn)實實時渲染處理，畫面精美，同時提供操作幫助，言簡意賅描述實驗如何開展。

該軟件支持典型實驗個數(shù)9個；

1) 錘擊法模態(tài)分析虛擬實驗

2) 電測動態(tài)應(yīng)力虛擬實驗

3) 非線性振動分岔現(xiàn)象虛擬實驗

4) 龍洗綜合振動虛擬實驗

5) 車輛與橋梁耦合系統(tǒng)綜合性虛擬實驗

6) 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)演示實驗

7) 多普勒激光測振儀器模態(tài)測量實驗

8) 白車車身模態(tài)分析實驗

9) 簡支模型橋靜動力學(xué)實驗

（1）錘擊法模態(tài)分析虛擬實驗

本虛擬實驗?zāi)M了錘擊法模態(tài)試驗的完整實驗流程，模擬了真實的實驗場景和實驗設(shè)備，實驗中通過ModelView軟件設(shè)置進行實驗3D模型繪制、數(shù)據(jù)測量、實驗和工作狀態(tài)模態(tài)分析及模態(tài)振型動畫展示。

圖1 實驗場景

圖2 模型建立如圖

圖3 力錘敲擊

圖4 實驗數(shù)據(jù)

（2）電測動態(tài)應(yīng)力虛擬實驗

電測動態(tài)應(yīng)力實驗提供懸臂梁沖擊實驗及簡支梁振動實驗兩種實驗選擇，模擬了兩個實驗的完整實驗流程，懸臂梁沖擊實驗通過調(diào)節(jié)手輪，點擊載荷讓其落下測得沖擊應(yīng)變曲線；簡支梁振動實驗通過設(shè)置不同參數(shù)，得到簡支梁振動曲線。

圖5 選擇實驗

圖6 懸臂梁沖擊實驗

圖7 沖擊應(yīng)變曲線

圖8 簡支梁振動曲線

（3）非線性振動分岔現(xiàn)象虛擬實驗

本虛擬實驗?zāi)M了非線性振動分岔現(xiàn)象實驗的完整實驗流程，提供干摩擦材料、庫倫摩擦材料和粘性摩擦材料三種材料選擇，通過設(shè)置不同速度，觀察實驗現(xiàn)象。

圖9 實驗場景

圖10 實驗現(xiàn)象

（4）龍洗綜合振動虛擬實驗

本虛擬實驗?zāi)M了龍洗綜合振動實驗的完整實驗流程，模擬了真實的實驗場景和實驗設(shè)備，在實驗中連續(xù)用手搓動龍洗使其發(fā)生振動（水花飛濺），同時改變水量的多少，觀察龍洗的振動頻率，來讓學(xué)生試探討龍洗盆材質(zhì)與其構(gòu)造所帶來不同的共振現(xiàn)象。

圖11 實驗場景

圖12 記錄振動頻率，四個通道的振幅和相位差，分析龍洗的振型

（5）車輛與橋梁耦合系統(tǒng)綜合性虛擬實驗

本虛擬實驗?zāi)M了車輛與橋梁耦合系統(tǒng)綜合性實驗的完整實驗流程，其目的是為了讓學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的測試與分析方法并掌握不測力算法進行模態(tài)參數(shù)識別的原理和方法。

圖13 實驗選擇

圖14 實驗場景

圖15 數(shù)據(jù)收集

圖16 數(shù)據(jù)計算

圖17 模態(tài)陣形圖

（6）轉(zhuǎn)子系統(tǒng)演示實驗

該虛擬實驗?zāi)M了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)演示實驗的實驗流程，通過軸心軌跡在通過臨界轉(zhuǎn)速時，長短軸發(fā)生明顯變化，通過觀察軸心 X-Y圖中振幅-相位變化，可以判斷臨界轉(zhuǎn)速的原理，來達到探究使用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的振幅-轉(zhuǎn)速曲線、軸心軌跡、波形圖等判斷并找出轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的目的。

圖18 實驗場景

圖19 實驗曲線

（7）多普勒激光測振儀器模態(tài)測量實驗

該實驗利用光學(xué)普遍的折射、反射效應(yīng)，以傳感器的激光束作為發(fā)射光源，對振動著的被測體進行點測、線測（二維測量）或三維測量（輪廓測量），同時把收集的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)置軟件的一系列算法處理，得出被測體振動的相關(guān)參數(shù)的方法。

圖20 收集數(shù)據(jù)

圖21 計算數(shù)據(jù)

（8）白車車身模態(tài)分析實驗

本虛擬實驗?zāi)M了白車車身模態(tài)分析實驗的完整實驗流程。該實驗利用單點激振、多點拾振的方法,并對采樣信號進行多次平均降噪處理,通過LMS系統(tǒng)進行模態(tài)參數(shù)識別的方法來達到用試驗結(jié)果驗證白車身有限元模型的正確性，考查其固有特性是否滿足設(shè)計要求的實驗?zāi)康摹?/p>