（1）实验原理(限1000字以内)

将固体材料分为脆性和塑性材料两大类进行讨论。分别针对两类材料施加拉伸、压缩和扭转载荷，观察材料在加载的情况下的应力应力应变曲线。通过应变曲线的分析来分别获得材料的拉伸、压缩、剪切模量、以及塑性材料的屈服强度和脆性材料的拉伸、压缩强度。通过虚拟仿真实验，模拟实际的实验状况，可以选择不同的材料和测试样品的形状，观测对比试验过程，并对结果进行分析，让学生理解实际测试结果和理想实验曲线之间的差异。同时，通过虚拟仿真技术，展示典型脆性和塑性材料在不同加载情况下微结构的变化，尤其是临近失效状态时的情况，使学生明白宏观力学现象和材料微观结构变化之间的联系。

另一方面，利用虚拟仿真的优势，可以针对实际实验中不容易实现的高温金属拉伸、各项异性材料实验等，了解材料的蠕变、松弛、断裂等复杂力学现象，以及非各项同性材料的实验现象；通过虚拟仿真技术直观地展示宏观材料力学行为与微观结构之间的联系。

通过实验获得的材料参数将用于实际结构的设计。针对预设的实际结构进行受力分析，进而对结构中的危险位置进行应力分析，结合材料力学中的强度理论，校验结构是否满足强度要求。通过结构整体尺寸、截面形状和尺寸设计，以及材料的选择进行预定结构优化。

类似的，利用实验获得的材料参数，对整体结构的变形进行分析，结合对结构的刚度要求，对结构进行校验和设计。

通过结构受力分析判断结构中是否存在结构失稳的风险，若存在结构失稳的可能，则通过结构内力分析和结构稳定性分析，结合对稳定性的要求，进行设计验证。

需要掌握的知识点：共11个

1.材料基本力学实验方法：实验样品设计及选择，能根据材料的类别和不同测试类型，合理选择试件形状和测试方案。

2.材料力学参数提取：通过材料的基本实验，能够对测试结果进行分析，理解并获得材料力学参数。

3．材料复杂力学现象：能够对材料的塑性行为、蠕变和松弛等测试结果进行解释和判别。

4．材料微观结构的变化：掌握材料在承载过程中，典型脆性和塑性材料的微观结构的变化，及其与宏观变形的对应关系。

5．结构的强度设计：能够理解材料基本力学性能参数在设计应用中的使用方法；根据结构强度设计的要求，能够对于结构进行合理的受力分析和应力分析，能够选择适当的强度理论进行结构设计。

6．结构的刚度设计：能够对结构的变形进行分析和计算，能够根据结构的特点结合刚度设计要求，对结构进行刚度控制和验证。

7．结构的稳定性设计：能够对结构中可能存在的失稳问题进行正确判断， 能够结合稳定性分析和材料测试结果对结构的稳定性进行验证和设计。

8．一次超静定结构分析：能够对静定结构和超静定结构进行准确判断，掌握超静定结构的求解方法，熟练掌握一次超静定结构的计算分析。

9．压杆稳定临界压力：理解并能够推导欧拉公式，熟练掌握不同长细比和不同约束端的临界失稳压力的计算方法。

10．四种常用的强度理论：理解并掌握四种常用的强度理论，包括公式、物理意义和适用范围。

11．叠加原理：理解叠加原理适用范围和使用方法，能够熟练运用叠加原理分析多种组合变形结构。

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

根据实验目的和原理，将虚拟仿真实验分为五个大的模块，分别是材料虚拟测试和分析模块、结构强度设计模块、结构刚度设计模块、结构稳定性设计模块和优化组合模块。

材料虚拟测试模块中，分为材料分类、拉伸、压缩、扭转虚拟测试环境，按照材料类别和测试项目设计测试样品的尺寸和形状，提交测试后，出现虚拟的材料力位移曲线，对典型材料利用虚拟仿真手段展示测试过程中材料微观结构的动态变化，结合结构尺寸大小、通过对力-位移曲线的简单分析获得应力-应变曲线，然后再分析获得材料参数，如模量和强度等。由此，通过多角度理解材料的宏观性能的变化、微观结构随测试过程的改变，以及表征参数的获取。

结构强度设计模块中，按照结构设计目标的要求，利用上一模块中材料测试结果，根据内力分析、应力分析和强度理论，进行结构设计，使之满足结构强度要求。

结构刚度设计模块，按照结构设计目标要求，对结构进行变形分析，根据目标结构的刚度要求，进行结构设计，使得结构满足刚度要求。

结构稳定性设计模块，分析结构中是否存在稳定性问题，若存在稳定性问题，则进行稳定性分析，否则进入下一个设计分析模块。

优化组合模块，综合上述四个模块的内容，组合形成满足应用强度、刚度、稳定性和经济性（与材料、结构相关）的设计方案，在可行的基础上，进行直接的优化选择。

本虚拟仿真实验教学项目是依托于复旦大学材料科学系作为开展实验教学的平台，是配合《材料力学课程》教学的一门新开虚拟实验课程，是从材料基本性能表征、宏观变形与微观结构变化之间的关系、到结构设计应用的高度仿真环境。学生通过网络和现代仿真技术，能快速整合材料力学基本理论和相关知识，培养分析、解决问题的能力，拓宽思路，提升自己创新能力。主要采用以下实验教学方法，

（1）混合式教学方法

有机地结合传统的面授和网络教学方法，利用高速网络，学生在网络上可以 了解实验项目的目的、内容和方法，网络平台提供实验大纲、实验指导书、相关基础知识和拓展知识的文献，以及必要的教程等资料。教师可以通过网络对学生进行指导、讨论相关问题等。实验完成后，可以网上提交实验报告，结合线下与教师的讨论加深对所学知识的理解和应用知识能力。

（2）探究式教学方法

教师借助本虚拟仿真实验平台，通过探究、引导方式激发学生积极主动去寻找问题、探索解决问题的方法，让学生在学习过程中形成对知识自主构建、在探索问题中灵活运用所学知识的自主学习能力。本虚拟仿真实验平台计划开发强大的与学生互动的模块，形成对探究式学习方式的有力支撑。

（3）虚拟合作教学方法

本虚拟仿真实验平台支持对2-3人小组共同开展同一个虚拟实验，以提高学生的沟通和团队合作能力。

1）学生交互性操作步骤，共14步

（2）交互性步骤详细说明

1）、材料虚拟测试模块

Ø进入模块，按照设计要求和材料类型选择适当的实验方案

Ø设计确定测试样品尺寸

Ø进行选定的测试实验，记录数据，观察典型材料微观结构测试过程中的变化

Ø记录数据并进行分析，获取材料参数

2）、强度设计模块

Ø进入模块，按照设计要求确定方案

Ø进行结构内力分析

Ø结合上一步材料测试结果，进行应力分析

Ø进行强度设计，完成结构截面尺寸设计

Ø形成满足强度设计的方案

3）、刚度设计模块

Ø进入模块，按照设计要求确定方案

Ø结合材料测试结果，进行结构变形分析

Ø进行刚度设计，完成结构截面尺寸设计或提出材料参数变化范围

Ø形成满足刚度设计的方案

4）、稳定性设计模块

Ø进入模块，按照设计要求确定方案

Ø通过结构内力分析判断是否存在稳定性问题

Ø若存在稳定性问题，则进行内力分析和稳定性设计

Ø形成满足稳定性设计的方案

5）、优化组合设计模块

Ø进入模块，按照前面获得的设计结果，进行组合设计

Ø对完成的组合设计进行验证和校验

Ø形成满足设计要求的一个合理方案

5）、综合考虑

Ø针对合理方案进行经济性评价

Ø形成综合方案和建议

5）、完成实验报告

综合所有实验内容，完成实验报告。

在每一个模块中都需要记录测试数据和展现完整的计算分析过程，通过虚拟仿真技术理解材料微观结构的变化，按照要求形成测试报告和计算书。

要求对设计方案和设计方法进行讨论和分析，设计不设置唯一结果。

要求完成一份完整的实验课程报告，包括上述所有的内容。