项目完成情况：

1.研发基于数字孪生的力学多语种VR科普平台系统1套。

包括可在台式机和笔记本电脑上进行应用的VR科普平台系统组件2个和可在移动手机端进行应用的VR科普平台系统组件1个。

2.申请发明专利2项。

1）《一种基于在移动荷载下悬臂梁力学性能的数字孪生实现方法》

2）《一种基于立体卷铁心变压器箔式绕组涡流损耗公式的修正及其电磁力计算方法》。

3.发表学术论文6篇，其中1篇SCI期刊论文，1篇AHCI期刊论文，1篇普通期刊论文，3篇会议论文。

1）Guang Yang, Jiadong Li, Huiqi Li, Dejing Kong, Zhengqi Wang, and Fan Liu. Magnetic Field Visualization Teaching Based on Fusion Method of Finite Element and Neural Network[J]. Applied Sciences, 2022, 12(14): 7025 (SCI收录号000833793500001)

2）Junfang Mu, Lixin Zhang, and Yuyang Chen. An investigation of the formation and pragmatic strategies of “xx-zi”The case of Chinese internet buzzword juejuezi [J]. Pragmatics, 2023 (AHCI收录号001060967700001)

3）穆军芳,张丽鑫.国际机器翻译近十年的动态演进——基于CiteSpace和VOSviewer的可视化分析[J].沈阳大学学报,2022,24(06):643-654

4）Teng Li，Huiqi Li, and Yang Guang. Research on Magnetic Characteristics and Short-Circuit Force of 3D Wound Core Transformer [C]. 2023 2nd International Conference on New Energy, Energy Storage and Power Engineering. 2023

5）Fan Liu, Jiahao Liu，and Yang Guang. Application of Physics-Informed Deep Learning in Electrostatic Field Analysis [C]. 2023 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices. 2023

6）Xianpeng Yang, Yijun Li, and Yang Guang. Study on Loss of Medium Frequency Transformers of 0.10 mm and 0.15 mm Ultra-thin Silicon Steel [C]. 2023 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices. 2023

4.培养硕士研究生7名。 

5.科普平台服务学习者228人，其中219人满意，满意度达到96.05%。

基于本项目研究成果主讲的课程获得河北省课程思政示范课、河北省高校教师教学创新大赛河北省三等奖和第四届全国高校青年教师电路、信号与系统、电磁场课程教学竞赛二等奖。

主要成果产出情况

基于数字孪生的力学多语种VR科普平台综合了数字孪生力学数值计算和面向虚拟现实三维力场可视化，并将二者有机的融合在一起，有效保证了科普平台系统的科学性。该平台不仅实现了力学问题结构的孪生，而且实现了力学问题性能的孪生，解决了力学问题虚拟实验物理真实感这一具有挑战性的课题，保证了其先进性。该科普平台系统可进行多语种展示，直接与国际接轨，拓展了其应用面。该科普平台将抽象的力学场景以三维形象化的形式加以呈现，并对静态和动态力场加以艺术化处理，让学习者产生了更强的真实感和沉浸感，保证了其艺术性。该系统可在个人电脑和手机平板上进行应用。通过本项目，课题组掌握了基于数字孪生的力学模型建模方法和力学数值计算结果VR可视化方法，纵观国内国外还没有包含该系统全部功能的类似科普平台系统。

“基于数字孪生的力学多语种VR科普平台”详细介绍

力学作为七大基础学科之一，无论是在航空航天领域还是在海洋开发领域都起到了至关重要的作用。同时力学也是中学和大学中一个极为重要的学科内容，其理论也被广泛应用在日常生活和工业系统中。然而人们在认知力学现象和理解力学相关理论时往往很难掌握。基于数字孪生的力学多语种VR科普平台是一个可以交互式学习力学理论中基本力学模型和复杂力学模型力学性能并进行交互式力学实验的数字孪生虚拟现实科普学习平台。该平台包括可在台式机和笔记本电脑上进行应用的VR科普平台系统组件2个和可在移动手机端进行应用的VR科普平台系统组件APP 1个，各组件功能如下：

在台式机和笔记本电脑上进行应用的VR科普平台系统组件fembeam3可通过键盘方向键进行人机交互控制红色动态力载荷的移动，进而平台系统对所处力学工况进行实时计算反馈，梁的形变结果便会实时在VR系统中呈现出来，并可通过键盘空格键实现动态力载荷的跳跃，通过点选系统上方的右向场景转换箭头可转换至不同力学运行工况进行交互式力学实验，该组件涵盖了单端固定梁、两端固定梁、中间两点固定梁等6种运行工况。

在台式机和笔记本电脑上进行应用的VR科普平台系统组件rombeam1可通过移动鼠标任意选定载荷点，进而实现交互式单端固定梁实时动态载荷的力学性能分析实验。

在移动手机端进行应用的VR科普平台系统组件APP VRF1可部署安装在手机端，通过移动手机端摄像头检测不同的标志物，便可在手机端屏幕上显示薄铁板两端固定在永磁体磁场力作用下的形变力场、门式起重机吊装重物时力场、扳手对螺栓施加扭矩时力场等6种复杂力场，进而进行复杂力学模型力学性能认知学习。通过手指触摸屏幕可以对复杂力场分布进行旋转、缩放的细致交互观察。

该VR科普平台所有组件的网盘下载二维码如下图：

下面介绍基于数字孪生的力学多语种VR科普平台系统各组件具体运行演示。在台式机和笔记本电脑上进行应用的VR科普平台系统组件fembeam3运行效果如图1所示，学习者可通过键盘方向键进行人机交互控制红色动态力载荷的移动，进而平台系统对所处力学工况进行实时计算，单端固定梁的形变结果便会实时在VR系统中呈现出来。图2显示的是通过键盘空格键实现动态力载荷的跳跃，此时梁的形变也会动态改变。

图1单端固定梁形变力场运行结果（杨氏模量为6e11）

通过点选系统上方的右向场景转换箭头可转换至不同力学运行工况，图3为改变梁的力学材料属性，增大其杨氏模量值后的梁形变力场，可见随着杨氏模量值的增加，梁的抗弯性增强。

图2动态载荷跳跃单端固定梁形变力场运行结果（杨氏模量为6e11）

图3增大杨氏模量单端固定梁形变力场（杨氏模量为9e11）

继续点选系统上方的右向场景转换箭头转换至梁两端固定的力学运行工况，图4为两端固定梁形变力场，图5为增大梁杨氏模量值后的两端固定梁形变力场，同样可见随着杨氏模量值的增加，梁的形变减小。

图4两端固定梁形变力场（杨氏模量为6e10）

图5增大杨氏模量两端固定梁形变力场（杨氏模量为9e10）

继续点选系统上方的右向场景转换箭头转换至梁中间两点固定的力学运行工况，图6为载荷位于左边中间两点固定梁形变力场，图7为载荷位于中部中间两点固定梁形变力场。

图6载荷位于左边中间两点固定梁形变力场（杨氏模量为6e10）

图7载荷位于中部中间两点固定梁形变力场（杨氏模量为6e10）

继续点选系统上方的右向场景转换箭头转换至不同力学工况，图8为增大梁杨氏模量值后的载荷位于左边中间两点固定梁形变力场，图9为载荷位于中部中间两点固定梁形变力场。依然可见随着杨氏模量值的增加，梁的形变减小。

图8载荷位于左边中间两点固定梁形变力场（杨氏模量为9e10）

图9载荷位于中部中间两点固定梁形变力场（杨氏模量为9e10）

对于基于数字孪生的力学模型建模方法研究，课题组还提出了基于模型降阶的建模方法，并开发了可在台式机和笔记本电脑上运行的科普平台系统组件rombeam1，该组件可实现单端固定梁实时动态载荷的力学性能分析。如图10所示，可通过移动鼠标任意选定载荷点，图11为此时单端固定梁形变力场。

图10单端固定梁载荷点选择

图11单端固定梁形变力场

继续改变载荷点位置如图12所示，此时单端固定梁改变载荷点形变力场如图13所示。

图12单端固定梁改变载荷点

图13单端固定梁改变载荷点形变力场

除此之外，课题组还开发了可在移动手机端进行应用的VR科普平台系统组件VRF1。利用通用结构设计软件构建复杂力学问题（如薄铁板在永磁体磁场力作用下的形变问题）几何模型，在三维几何模型基础上，基于力场-磁场耦合有限元数值计算方法，对复杂力学问题进行网格剖分，边界处理和激励设置，并进行静态或动态工况下的复杂力学数值计算，从而获得了复杂力学问题静态或动态工况下的力场矢量和标量工程数据计算结果。然后对力场有限元数值计算结果进行基于vtk的三维可视化重构处理，在三维可视化处理过程中，首先通过数据源读取有限元数值计算原始结果，接着通过过滤器来处理原始结果，借助选择不同的过滤器，形成不同的结果数据集，然后通过映射器将经过滤器处理的结果数据集重新转化为几何数据。最后通过渲染引擎来渲染包含了几何数据各种属性的渲染场景中的实体。接下来通过脚本语言将渲染结果基于vtk导出虚拟现实可视化gltf文件，最终将可视化gltf工程数据资源导入至unity系统中进行VR科普平台系统组件开发。如图14所示，VR科普平台系统组件VRF1通过移动手机端摄像头检测标志物，薄铁板两端固定在永磁体磁场力作用下的形变力场便呈现在手机端屏幕上，图15为检测不同标志物后在手机端屏幕上显示的薄铁板单端固定在永磁体磁场力作用下的形变力场分布情况。通过手指触摸屏幕可以对复杂力场分布进行旋转、缩放的细致观察。

图14薄铁板两端固定在永磁体磁场力作用下的形变力场

图15薄铁板单端固定在永磁体磁场力作用下的形变力场

图16在手机端屏幕上显示的是门式起重机吊装重物时力场分布情况，图17在手机端屏幕上显示的是卡车通过桥梁时桥梁结构力场分布情况。

图16门式起重机吊装重物时力场

图17卡车通过桥梁时桥梁结构力场

图18在手机端屏幕上显示的是扳手对螺栓施加扭矩时力场分布情况，图19在手机端屏幕上显示的是建筑物在地震时的结构力场分布情况。

图18扳手对螺栓施加扭矩时力场

图19建筑物在地震时的结构力场