ИННОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОБУЧЕНИЯ НА БАЗЕ ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ ПО ПРОЧНОСТНЫМ ИСПЫТАНИЯМ МАТЕРИАЛОВ

Инновационный подход к обучению студентов состоит в использовании программ для ЭВМ в образовательном процессе [1-3]. Изучение и овладение различными компьютерными программами во время обучения необходимо выпускнику как для дальнейшего реального проектирования [4-6], так и для ведения научно-исследовательской работы.

На кафедре СМиСМ АСИ СамГТУ первые шаги в направлении внедрения современных компьютерных технологий были предприняты в 2011 г. с применением настольной версии обучающего программного комплекса виртуальных лабораторных работ COLUMBUS [11], разработанного ИП Кузьмин А.Л. (kuzmin-soft.ru) В 2015 г. началась подготовка к внедрению веб-версии обучающего программного комплекса виртуальных лабораторных работ KOLIBRI [14], также разработанного ИП Кузьмин А.Л. (kuzmin-soft.ru). С 2016 г. ведется подготовка информационной базы для внедрения вычислительного комплекса «Лира» в учебный процесс, включающий в себя лекции, лабораторные занятия, упражнения и самостоятельные работы для студентов [2].

Дополнительно стоит отметить, что на сайтах представлены виртуальные работы не только по курсу «Техническая механика» (Сопротивление материалов), но и по другим курсам: «Железобетонные конструкции», «Детали машин», «Гидравлика».

В данной статье приведено описание виртуальной работы «Растяжение» из веб-версии программного комплекса виртуальных лабораторных работ COLUMBUS [11]. Данная работа предназначена для исследования процесса растяжения металлического образца вплоть до разрушения и соответствует лабораторной работе по курсу «Техническая механика» (Сопротивление материалов). Главная особенность виртуальных испытаний на растяжение заключается в возможности:

–         проводить испытания образцов без материальных затрат;

–         определять и сравнивать прочностные и деформативные характеристики нескольких материалов различных марок за короткое время;

–         активного участия в эксперименте всех студентов группы.

Рабочее пространство программы для виртуальных испытаний включает в себя модели разрывной машины и оборудования для измерения приложеной к образцу нагрузки (рис. 1). Управление оборудованием и проведением эксперимента осуществляется клавишами клавиатуры и мышью через стандартные элементы управления пользовательского интерфейса: кнопки и древовидный список. Кнопка  «Помощь» открывает инструкцию по управлению программой. Кнопка «Материал» открывает или закрывает «Дерево материалов». Кнопка «Новый» устанавливает траверсу машины в положение, соответствующее длине выбранного образца.

Стандартный образец для испытания на растяжение в странах Европы принимается цилиндрическим с расчетной длиной l = 10D – длинный образец или l = 5D – короткий образец. В данном случае используется длинный образец, у которого длина цилиндрической части больше расчетной длины и равна l + D. Концы образца изготовлены большего диаметра, чтобы предохранить образец от разрушения в зажимах машины, где возникает сложное напряженное состояние. «Дерево материалов» (см. рис. 1), содержащее различные материалы, сгруппированные по категориям, согласно соответствующим стандартам, позволяет выбрать интересующий материал для испытания.

Установка образца в разрывную машину происходит автоматически при нажатии кнопки «Новый» (рис. 2).

Для контроля величины нагрузки на образец в программе предусмотрен динамометр (рис. 3). Циферблат динамометра имеет градуировку в тонах-силы и килоньютонах.

Запись результатов испытания на растяжение происходит в виде диаграммы (рис. 4, а). При работе с диаграммой существует возможность дополнительной фиксации координат характерных точек. Для этого нужно подвести указатель мыши к соответствующей точке и записать в бланк значение силы и абсолютной деформации, которые выводятся рядом с диаграммой.

После построения диаграммы имеется возможность изменять ее масштаб с целью детального исследования определенных участков (например, площадки текучести) (рис. 4, б).

Таким образом, основными задачами виртуальных испытаний являются:

- исследование механических свойств и определение механических характеристик материалов;

-   опытная проверка теоретических выводов и законов;

-     изучение студентами современных экспериментальных методов исследования напряженного и деформированного состояний материала и обработки экспериментальных данных.

Внедрение виртуальных комплексов в учебный процесс позволит:

-   повысить эффективность освоения преподаваемых дисциплин;

-   повысить качественный уровень выполняемых научно-исследовательских работ.

В заключение необходимо отметить, что представленная разработка на той же методической базе применена для других лабораторных работ по курсу «Техническая механика»:

-   Испытание металлических и деревянных образцов на сжатие.

-   Определение модуля упругости и коэффициента Пуассона.

-   Испытание валов на кручение с определением модуля упругости при сдвиге.

-   Испытание стальной балки на чистый изгиб.

-   Испытание стальной балки на поперечный изгиб.

-   Внецентренное растяжение стального стержня.

-   Внецентренное сжатие стального стержня.

-   Испытание балки на косой изгиб.

-   Исследование продольно-поперечного изгиба стержня большой гибкости.

-   Исследование явления потери устойчивости при сжатии стержня большой гибкости.

-   Определение ударной вязкости металлического образца.

Список литературы

1.   Найштут Ю. С. Моделирование сооружений и их узлов с помощью программных комплексов // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 70-й юбилейной Всерос. науч.- техн. конф. / СГАСУ. Самара, 2013. С. 162-163.

2.   Холопов И.С., Алпатов В.Ю., Атаманчук А.В. Современные проблемы проектирования и расчета строительных конструкций зданий и сооружений с использованием вычислительных комплексов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2008. № 1. С. 66-68.

3.    Алпатов В.Ю., Петров С.М., Лукин А.О., Холопов И.С., Соловьев А.В. Автоматизированный расчет системы «фундаменты-силовой пол» для производственного здания с металлическим каркасом и значительными нагрузками на пол // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительство: материалы 72-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР / СГАСУ. Самара, 2015. C. 23-27.

4.   Холопов И.С., Алпатов В.Ю., Атаманчук А.В. Современные проблемы проектирования и расчета строительных конструкций зданий и сооружений с использованием вычислительных комплексов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2008. № 1. С. 66-68.

5.   Алпатов В.Ю., Лукин А.О., Сахаров А.А. Исследование жесткости узла базы стальной колонны, состоящей из одной опорной плиты // ПГС. 2015. №9. С. 11-17.

6.     Лукин А.О. Сравнительный анализ на основе метода конечных элементов работы балок с гофрированной стенкой в условиях стесненного кручения // Актуальные вопросы технических наук: материалы II Международной научной конференции. Сер. «Молодой ученый». 2013. С. 75-77.

7.      Лукин А. О. Исследование напряженного состояния гофрированной стенки в местах, расположенных под сосредоточенными силами // Технические науки в России и за рубежом: материалы II Международной научной конференции. Сер. «Молодой ученый». 2012. С. 113-115.

8.     Широков В.С. Поиск оптимальных соотношений стрелы подъема и пролета структурной купольной конструкции // Вестник МГСУ. 2013. № 9. С. 32-40. МГСУ. 2017. Т. 12. Вып. 2 (101). С. 142-149. DOI : 10.22227/1997-0935.2017.2.142-149.

9.     Алпатов В.Ю., Лукин А.О., Сахаров А.А., Жученко Д.И. Компьютерное моделирование и численные исследования узловых соединений структурных конструкций // Градостроительство и архитектура. 2016. № 4 (25). С. 19-22. DOI: 10.17673/Vestnik.2016.04.3.

10.    Лютов Л.В., Синцов В.П. Численное моделирование работы двутавровых комбинированных балок с гофрированной стенкой // Строительство и техногенная безопасность. 2016. № 3 (55). С. 39- 45.

11.   Литиков А.П., Муморцев А.Н., Ахмедов А.Д. Обучающий программный комплекс виртуальных лабораторных работ «COLUMBUS-2007» по курсу «Сопротивление материалов» // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 70-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР / СГАСУ. Самара, 2013. Т. 2. C. 33-34.

12.   Муморцев А.Н., Фролов Е.А., Литиков А.П., Лукин А.О., Ахмедов А.Д., Емец В.Н. Виртуальные лабораторные работы. Техническая механика (сопротивление материалов): учебно-методическое пособие / СГАСУ. Самара, 2015. 98 с.

13.    Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2014613606 Российская Федерация. Обучающий программный комплекс виртуальных лабораторных работ по курсу «Сопротивление материалов» / Литиков А.П., Исаев Д.И., Фролов Е.А., Ахмедов А.Д., Муморцев А.Н.; заявитель и правообладатель СГАСУ. № 2014613606; заявл. 26.11.2013; опубл. 31.03.2014, Бюл. № 4, 2014.

14.    Лукин А.О., Литиков А.П. Применение программного комплекса «KOLIBRI» для выполнения расчетно-графической работы №1 по курсу «Техническая механика» // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Естественные науки и техносферная безопасность: материалы 73-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР / СГАСУ. Самара, 2016. C. 225- 228.

15.   Муморцев А.Н., Фролов Е.А. Сборник задач по сопротивлению материалов. Ч. I: учеб. пособие / СГАСУ. Самара, 2011. 112 с.