金玉 曹鵬程

摘要：基于OBE理念對(duì)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，引入非線性有限元技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改變傳統(tǒng)的單一教學(xué)方法，結(jié)果表明教學(xué)效果良好，說(shuō)明采用數(shù)值模擬輔助結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)教學(xué)效果和提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)試驗(yàn);有限元技術(shù);教學(xué)方法

1 引用

土木工程專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生畢業(yè)后主要從事土木工程的設(shè)計(jì)和施工工作，其實(shí)踐性很強(qiáng)，工作中有大量的試驗(yàn)內(nèi)容。培養(yǎng)學(xué)生試驗(yàn)?zāi)芰Γ墙陙?lái)教育改革的重要方向。特別是2013年6月，我國(guó)加入《華盛頓協(xié)議》、成為該協(xié)議簽約成員，這標(biāo)志著具有國(guó)際實(shí)質(zhì)等效的工程教育專業(yè)認(rèn)證的帷幕在我國(guó)已經(jīng)正式拉開(kāi)。OBE理念對(duì)引導(dǎo)和促進(jìn)專業(yè)建設(shè)與教學(xué)改革、保障和提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。

2 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)改革的意義

隨著土木工程專業(yè)教學(xué)改革的不斷深入，相關(guān)專業(yè)教師已經(jīng)認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)試驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的重要性，但是實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生的求知欲望和學(xué)習(xí)熱情并沒(méi)有被激發(fā)出來(lái)，主要由于傳統(tǒng)試驗(yàn)教學(xué)局限于試驗(yàn)時(shí)間、場(chǎng)地、試驗(yàn)材料和測(cè)試儀器等條件，實(shí)驗(yàn)類型偏向于認(rèn)識(shí)性，學(xué)生只需按照試驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)要求完成已經(jīng)設(shè)計(jì)好的步驟，而對(duì)前期的設(shè)計(jì)過(guò)程、材料性能的選擇及試驗(yàn)?zāi)康慕Y(jié)果不甚了解，造成試驗(yàn)教學(xué)效果達(dá)不到預(yù)定效果。其次，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)可重復(fù)性差，由于試件加工制作過(guò)程中存在較大誤差，使試驗(yàn)結(jié)果存在明顯的離散性，甚至與結(jié)構(gòu)理論存在顯著偏差，這就要學(xué)生專業(yè)有足夠的知識(shí)儲(chǔ)備。在目前的結(jié)構(gòu)研究中通常采用有限元分析在試驗(yàn)前對(duì)其工作性能進(jìn)行預(yù)測(cè)以制定成功率較高的試驗(yàn)方案，數(shù)值模擬技術(shù)可以在一定程度上彌補(bǔ)現(xiàn)有試驗(yàn)教學(xué)中的缺陷。數(shù)值模擬技術(shù)具有成本低和重復(fù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此在試驗(yàn)前采用有限元分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)模型各種工作性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以為制定試驗(yàn)方案提供定量依據(jù)。在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中引入有限元分析方法，有利于學(xué)生通過(guò)利用有限元軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。通過(guò)對(duì)比各種實(shí)驗(yàn)方案的數(shù)值模擬結(jié)果優(yōu)選出一種方案，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析方案的正確性。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束以后，將試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如果兩者結(jié)果較為接近，則證明數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)置是正確的，然后可以調(diào)整有限元模型中的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)一步補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)報(bào)告。同時(shí)還可以對(duì)某些受到試驗(yàn)條件限制而無(wú)法開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)工作作補(bǔ)充模擬，彌補(bǔ)了試驗(yàn)中存在的缺陷。此外，對(duì)某些具有實(shí)踐意義和可行性的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室可以開(kāi)放，并在實(shí)驗(yàn)室工作人員的指導(dǎo)下進(jìn)行。這樣將有利于提高實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)程度和實(shí)驗(yàn)資源的利用率。

3 數(shù)值仿真結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用案例

筆者以結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中靜定桁架試驗(yàn)為例，引入ABAQUS軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，輔助實(shí)踐教學(xué)。試件參數(shù)：各桿件均采用角鋼2∠40×4，節(jié)點(diǎn)板厚5mm，E=2.06×105N/mm2，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1所示;加載方式采用5級(jí)加載。第一級(jí)為720N/點(diǎn)，以后每級(jí)加360N/點(diǎn)。

通過(guò)數(shù)值模擬可以直觀的提取出桁架在不同加載階段的應(yīng)力和位移，學(xué)生在進(jìn)行試驗(yàn)前可以直觀看到加載的全過(guò)程以及桿件內(nèi)力和變形分布情況。引入有限元數(shù)值模擬技術(shù)，教師在教學(xué)過(guò)程中可以通過(guò)改變?cè)囼?yàn)參數(shù)完成不同材料屬性和工況的加載試驗(yàn)，基于多參數(shù)化的比試驗(yàn)結(jié)果，有利于學(xué)生加深對(duì)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)識(shí)，理解也更加透徹。

4 結(jié)論

通過(guò)在試驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)引入有限元模擬技術(shù)，充分利用數(shù)值模擬技術(shù)具有成本低和重復(fù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，來(lái)提高學(xué)生利用現(xiàn)有的專業(yè)知識(shí)對(duì)實(shí)際問(wèn)題分析的能力，激起學(xué)生對(duì)計(jì)算分析技術(shù)與試驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合來(lái)研究實(shí)際問(wèn)題的興趣，擴(kuò)展專業(yè)知識(shí)面，為以后學(xué)習(xí)和工作墊底基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭愚，于國(guó)友，秦懷泉.非線性有限元分析在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（01）.

[2] 李志義.解析工程教育專業(yè)認(rèn)證的成果導(dǎo)向理念[J].中國(guó)高等教育.2014（17）.

[3] 黃麗婷，熊世樹(shù)，李黎.土木工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].北京：實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù).2006（06）.

基金項(xiàng)目：本文系嘉興學(xué)院2017年度教改項(xiàng)目（編號(hào)：B3）。

（作者單位：嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院）