SHPB虛擬仿真實驗教學項目的研究與開發

毛繼澤，曲 嘉，夏培秀

（1.哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 本科生院，黑龍江 哈爾濱 150001）

自Kolsky[1]將分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson press bar，SHPB）系統引入高應變率下材料的動態力學性能研究以來，該技術經過70余年的發展已逐漸成熟。但由于需使用火藥或高壓氣體作為發射動力而具有一定的危險性，且部分典型的率相關材料如鉛等重金屬具有一定的毒性，因此不易推廣。

目前，國內外不少大學研制并建設了SHPB設備，開展相關的實驗教學與科學研究[2-7]，但由于存在危險性均由經培訓的專職人員操作。實驗過程中，由于發射氣壓、子彈長度、電橋橋壓、增益系數、采樣率和觸發條件等實驗參數的設置相互影響，在實際教學中學生難以熟練掌握，而是需要通過重復性實驗積累經驗、探索規律。然而，重復性實驗教學的耗損費用較高、危險性增加，因此有必要通過變革SHPB裝置的實驗教學模式，研發虛擬仿真實驗項目。

近年來，虛擬仿真技術被越來越多地應用于各學科專業的教學實踐中，在實驗教學中表現出巨大優勢。虛擬仿真實驗教學具有的沉浸式、交互性、可重復、低成本、無危險、可回放、易共享等特點[8-12]，為解決分離式霍普金森桿沖擊壓縮的實驗教學提供了很好的解決方法。本文綜合應用三維虛擬仿真技術和ANSYS有限元軟件，開發了SHPB虛擬仿真實驗教學項目，以下對此進行介紹。

1 開發需求、難點和思路

1.1 開發需求

（1）沉浸式環境需求。需要具有SHPB測試系統的全部要素，包括：桿系結構、應變片、氣壓調節系統、超動態電阻應變儀、數字存儲示波器，以及試樣和游標卡尺。

（2）交互式需求。需要試樣材質、發射子彈長度、發射氣壓、應變儀增益、示波器量程、觸發方式、觸發電壓、觸發延時等一系列參數的相互耦合。根據學生對參數的設置給出不同的數據反饋，同時給出標準計算結果用于教師批改報告時的參考。實驗項目中的參數設置需要學生進行探索式嘗試，要從多次實驗中找到合適的參數設置，獲得實驗經驗，改變以往為了避免采集超量程或不觸發采集而使實驗失敗，教師提前給出建議參數的作法。

（3）引入誤差和實驗失敗的可能性。由于ANSYS實時計算程序耗時較長，利用計算算例結果數據庫，共完成計算結果文件3072個。學生根據實驗操作時所設定的參數，可對計算結果進行數值差分并引入隨機誤差，形成各次實驗的實驗數據和結果文件，保證每個人得到的實驗結果均不相同。

（4）實驗方案設計應使實驗教學深度由淺入深。實驗方案設計可基于相同的實驗原理，從明確實驗題目出發，選擇不同的實驗材料試樣，進行1~n次不確定次數的實驗，重復部分實驗步驟，最終完成實驗。同時，根據實驗結果數據得到沖擊波速測量、動態屈服強度測量、應變率增強系數、應變率—應變—應力曲線測量、Johnson-Cook本構參數測量等測試結論，使實驗教學深度逐漸由淺入深。

1.2 開發難點

實驗項目可分為基礎規范型實驗、綜合設計型實驗和研究探索型實驗[4]。其中，綜合設計型實驗旨在使學生綜合運用課堂上所學的理論知識解決所遇到的問題，研究探索型實驗旨在使學生發現問題、提出研究方案、建立實驗平臺、開展實驗并處理實驗數據，最終找到問題根源并發現其中的規律。在SHPB實驗教學過程中，要求學生不僅要活學活用理論知識，總結實驗規律，還要求他們能夠自主制定實驗方案，探究材料在高應變率實驗條件下的動態力學行為。

虛擬仿真實驗平臺要服務于實驗教學，要在開發過程中基于實際實驗涉及到的學科知識點和實驗步驟，并在不影響虛擬仿真結果可信度的情況下進行一定的簡化和理想化。SHPB整套實驗裝置對應的課程多、學科應用廣泛，因而開發難點之一就是如何合理地將諸多知識點融合成一個整體，從而能夠虛擬仿真多種不同的實驗工況。難點之二是如何做好人機交互，使其具有更好的代入感，從而使虛擬仿真實驗過程貼近實際實驗操作，使虛擬仿真實驗平臺成為研究性、開放性的平臺。

1.3 開發思路

將SHPB實驗分解為實驗準備、參數設置和數據處理三個環節，而虛擬實驗過程中的操作步驟應符合實際實驗的流程要求。其中，實驗準備環節主要培養學生的操作熟練度；參數設置環節應引導學生探索參數間的耦合關系，進而歸納總結設置經驗；數據處理環節主要培養學生深入掌握應變率與應變、應力之間的積分計算方法和力學關系。通過三個環節的不同側重，由淺入深地引導學生掌握SHPB實驗技術的操作細節和原理應用。

SHPB虛擬仿真實驗項目的開發難點和重點是實驗準備環節和參數設置引起的交互性，包括引入誤差和失敗的可能性。首先，子彈尺寸和發射氣壓是實驗過程的第一個交互性關鍵變量，軟件根據此兩參數利用彈道曲線差分出撞擊速度。其次，要以能實現不同材料和多種尺寸試樣的動態力學性能測量為開發重點，通過在虛擬仿真實驗平臺中錄入鋁、銅、鉛等金屬材料的沖擊實驗數據計算結果，支撐后臺數據庫，并提供數據處理的參考結果。最后，通過設計相關參數的設置頁面和開放式的實驗環境，引導學生歸納總結不同參數設置對實驗現象影響的規律，甚至在失敗的實驗中總結經驗，以符合研究探索型實驗的要求。

2 仿真平臺設計研究

2.1 開發工具

SHPB虛擬仿真實驗平臺的搭建采用 3D仿真開發技術，三維場景部分以 Unity3D和 Visual Studio 2015開發環境為制作引擎，配套的管理平臺采用Eclipse作為開發工具，內部應用JAVA進行算法與交互編程及模擬控制，并采用MyQL進行數據庫管理。

2.2 仿真平臺界面設計

圖1為SHPB虛擬仿真實驗平臺的界面。主界面背景為3D建模的實際實驗室場景，展示了SHPB實驗中的供氣系統、SHPB裝置主體部分、信號采集系統和信號處理系統等實驗裝置。主界面下方顯示了整個實驗的操作流程，隨著操作流程的進行，對應的文字會被標亮，提示實驗進程。在實驗開始前，學生可

以通過鼠標點擊主界面中的任意儀器設備，此時會出現介紹該設備的標注，通過上下滑動滾輪也可以對實驗室的場景進行局部放大和縮小。在主界面左上角子彈長度一欄中，能夠顯示當前使用的子彈長度。

圖1 SHPB虛擬仿真實驗項目主界面

2.3 虛擬仿真實驗流程設計

1）實驗準備環節。

選用早熟、優質、高產，抗病蟲、抗逆性強、適應性廣、商品性好的品種。當前攀西地區種植較為普遍的品種為豫選一號品種，畝用種量2.5—3.5公斤。菜豆品種有紅花青殼、雙青玉豆、天馬架豆王、泰國架豆王、碧豐8號等。

首先，進行電測系統連接。通過點擊鼠標，在桿件上的適當部位采用半橋對臂方法粘貼應變片；點選應變片的引線，在惠斯通電橋上采用半橋接線方式與動態應變儀相連接；點擊電橋連接線，將動態應變儀上對應的信道與示波器連接。第二，進行試樣測試裝夾，包括測量試樣尺寸。以鼠標點擊工作臺上放置的試樣，在試樣材料窗口彈出的黃銅、純鉛、鋁三種材料中進行選擇，注意三種材料的率敏感性不同；點擊旁邊放置的游標卡尺，測量試樣的直徑和厚度；再點擊工作臺上放置的毛刷，在試樣兩端面涂抹高壓脂，以降低沖擊實驗摩擦，起到波形整形作用。第三，將試樣裝夾到入射桿和透射桿之間。此時彈出子彈長度選擇界面如圖2所示，從6種不同長度的試樣中選擇實驗子彈長度；將對應長度的子彈放置到發射管中。與實際實驗不同，此時將發射管設置為透明，即可看著將子彈安裝到發射準備位置。第四，調節發射裝置上的氣壓調節旋鈕，順時針旋轉鼠標為增大氣壓，逆時針旋轉為減小氣壓。由不同的子彈長度和發射氣壓，可以得到不同的發射速度，進而形成不同的沖擊波強度和波長，最終導致試樣不同的應力應變曲線和殘余變形[13]，如圖3所示。

圖2 選擇子彈長度

圖3 調節發射氣壓

2）參數設置環節。

首先，打開超動態電阻應變儀，通過調節旋鈕，設置增益系數和低通濾波系數。然后打開示波器和采集通道，設置觸發通道和觸發條件。旋轉觸發時間旋鈕設置觸發延時，通過旋轉電平旋鈕設置觸發基準，通過旋轉標度旋鈕設置采樣率，單擊采集按鈕并打開采集面板設置采樣長度。設置完成后單擊單次采集按鈕，完成參數設置工作。此項工作將影響測試精度，錯誤的設置結果將使數據采集不全或超量程，從而導致實驗失敗。用鼠標觸發閥門開關發射子彈后，系統將根據實驗中的參數設置、試樣和子彈等的選取，輸出不同的波形圖，如圖4所示。

圖4 示波器調節面板及測試結果

3）數據處理環節。

圖5 應力—應變率—應變雙坐標實驗結果

3 成績評定與統計

教師在線上可根據學生帳號對照實驗報告與平臺系統自動生成的計算結果，對學生的實驗成績進行評定，大大減輕了教師核對實驗數據與計算結果正確性的工作量。此外，實驗結束后，系統可自動統計本次實驗共計消耗的耗材和試樣數量，包括真實實驗所需要耗費的經費數量和配套人力數量等數據，從而使學生提高對實驗方案重要性的認識，樹立嚴謹的科學研究態度。系統經過一段時間運行后，可對虛擬實驗中常犯的參數設置錯誤和易發生失誤的操作進行大數據分析，用于完善實驗教學內容，提高實驗教學質量。

4 結語

本實驗為研究探索型實驗項目，能夠克服以往實體實驗受制于硬件條件、需要分時段多次指導、需要避免實驗測量參數設置錯誤、不利于學生深入掌握相關實驗技能等問題。系統可自動統計學生實驗參數的配置情況，有利于學生總結規律，自我歸納經驗。學生還可慢鏡頭回放實驗過程中波的傳播過程，這是在真實實驗過程不可能做到的，有利于他們加深對沖擊動力學的理解。

本項目使學生不再受制于學時數限制，并可反復嘗試實驗參數，對比不同參數所帶來的影響。實驗除對力學專業學生開放外，還面向機械、船舶、材料、航空航天及土木工程等專業的本科生和研究生開放，促進了SHPB技術的應用。

本項目在教學實施中重視“虛實結合”，當學生在虛擬仿真實驗平臺完成實驗項目訓練達到合格標準后，再通過嚴格的安全培訓，即可向實驗室提交自行擬定的詳細實驗方案，由在線教學服務教師審核通過后，即可預約申請真實設備，針對虛擬實驗所沒有的新材料進行創新性實驗。

經過一年左右的運行，部分本科生在本實驗基礎上進一步開展了教學科研實驗，并發表了論文，形成了“虛實結合”良性銜接的教學效果。