陳濤 孫凱 尹文良

摘要：以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析當(dāng)前的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，闡述結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化的必要性和可行性。為了解決現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)存在的問題，讓學(xué)生更好地理解力學(xué)概念，嘗試將DIC全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)用于力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的應(yīng)變片和位移計(jì)測(cè)量。通過開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)力學(xué)可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性，進(jìn)而探討合適的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)方案。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學(xué);教學(xué)實(shí)驗(yàn);力學(xué)概念;可視化

中圖分類號(hào)：G642423;TU311?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)：1005-2909（2020）05-0133-04

力學(xué)實(shí)驗(yàn)是土木工程專業(yè)類學(xué)生力學(xué)學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)。通過這些實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生了解工程結(jié)構(gòu)在不同受力狀況下內(nèi)力的變化規(guī)律，了解不同材料的受力特性并探究如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)將書面理論通過實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證，讓無形的力學(xué)變得有形[1]，以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。隨著結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的不足逐漸凸顯，如用應(yīng)變片和位移計(jì)間接測(cè)量的方式并不夠直觀，試件的變形非常微小，肉眼幾乎無法看到。為了獲得更好的教學(xué)效果，目前國內(nèi)有許多對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革創(chuàng)新嘗試，如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[2]、自主設(shè)計(jì)新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚3-5]等。本文從可視化的角度出發(fā)，開展可視化結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。

一、開展可視化結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的必要性

結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)源于工程實(shí)際，但因其已被簡化，導(dǎo)致學(xué)生在理論學(xué)習(xí)時(shí)普遍感覺過于抽象。為彌補(bǔ)理論教學(xué)的不足，需要引入結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程[5-6]。以同濟(jì)大學(xué)為例，目前學(xué)校開設(shè)有結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程來輔助教學(xué)，通過桁架實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解移動(dòng)荷載和影響線的概念，了解桁架各類桿件及其受力特征。實(shí)踐證明，這對(duì)加深學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)概念的理解、鍛煉實(shí)踐能力和培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)確實(shí)有較大的幫助，但也存在不夠直觀的問題。為了進(jìn)一步完善、改進(jìn)現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到更好的教學(xué)效果，有必要開展可視化結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

目前結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)較為單一，實(shí)驗(yàn)裝置、測(cè)點(diǎn)布置都比較固定。從豐富現(xiàn)有結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的角度出發(fā)，探索新的實(shí)驗(yàn)十分必要。豐富的教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)?shí)際的各種模型與理論相結(jié)合，

幫助學(xué)生理解理論知識(shí)。結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化是一個(gè)十分有意義的發(fā)展方向，不僅能使理論知識(shí)更為直觀，而且還能讓學(xué)生更好地參與實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

近年來，科技的發(fā)展日新月異，各種先進(jìn)的測(cè)量儀器、新型的實(shí)驗(yàn)材料不斷出現(xiàn)，并被應(yīng)用于科研實(shí)驗(yàn)中。相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式，它們有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。如數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）測(cè)量方法，以其無損、非接觸、全場(chǎng)、高精度測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)力學(xué)問題的研究和工程測(cè)試中[7]。實(shí)驗(yàn)的原理是不變的，但實(shí)驗(yàn)的工具有必要根據(jù)現(xiàn)有的情況不斷優(yōu)化，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。教學(xué)實(shí)驗(yàn)也應(yīng)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，不斷推陳出新。

二、教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)置

可視化結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)從力學(xué)基本概念出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生獲得相關(guān)力學(xué)知識(shí)，了解和掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，并通過實(shí)踐掌握試件設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理的方法。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)誤差的原因，進(jìn)而提出改進(jìn)方法，訓(xùn)練學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

本次結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)為工字簡支梁在集中荷載下的變形實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生了解工程試件的名稱，掌握實(shí)驗(yàn)的基本方法，加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)的過程中，了解實(shí)驗(yàn)試件的設(shè)計(jì)，處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并獨(dú)立撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。由于可視化實(shí)驗(yàn)具有全場(chǎng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)方案可多樣化，為學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)提供了可能。學(xué)生可以在不同的測(cè)量點(diǎn)位或工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并與理論值比較。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析方面，鼓勵(lì)學(xué)生了解當(dāng)前的一些分析軟件，利用軟件進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（一）實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)置

結(jié)構(gòu)力學(xué)中，在單位移動(dòng)荷載作用下表示結(jié)構(gòu)某一量值（稱為影響量）變化規(guī)律的圖形，被稱為該量值的影響線[9]。本實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，更深入地理解影響線的概念，同時(shí)學(xué)習(xí)CFRP梁的實(shí)際受力狀況，了解理想計(jì)算模型與實(shí)際模型的差別。

實(shí)驗(yàn)裝置為CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）工字梁，兩端簡支，并采用DIC（Digital Image Correlation）儀器進(jìn)行測(cè)量。如圖1所示，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，桿件類試件實(shí)驗(yàn)效果不佳。一是桿件的識(shí)別區(qū)域較窄，邊緣識(shí)別較差。二是構(gòu)件的微小振動(dòng)，會(huì)使識(shí)別效果進(jìn)一步降低。為確保測(cè)量精度，提高實(shí)驗(yàn)效果，選用識(shí)別面積更大的工字梁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將CFRP工字梁等效為桿件可行且誤差較小。如圖2所示，以跨中豎向位移為例，理論值與實(shí)測(cè)值吻合較好。

裝置的尺寸如圖3所示，縱向長1 560 mm，橫向?qū)?00 mm，高50 mm，翼緣板厚度1.4 mm。使用的是彈性模量為162 000 Mpa的CFRP材料。兩端簡支，能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

（二）實(shí)驗(yàn)過程

加載方式為簡單多次加載，如圖3所示，將千斤頂依次安裝在①、②、③、④、⑤節(jié)點(diǎn)，加載荷載為150 N、350 N、550 N。通過DIC采集結(jié)束后釋放荷載，等數(shù)據(jù)處理并記錄完成后再向下一個(gè)加載點(diǎn)施加荷載，重復(fù)采集操作。

在合適的距離和角度，DIC可以識(shí)別絕大部分梁體。在實(shí)驗(yàn)的過程中，能自動(dòng)計(jì)算識(shí)別區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變及位移信息，以圖像的形式（圖4）顯示于軟件界面，并用顏色深淺加以區(qū)分，從而達(dá)到可視化的目的。通過圖像與實(shí)際構(gòu)件相比較，能夠直觀地看到試件各部分的應(yīng)變或變形情況。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可以導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于學(xué)生整理分析，對(duì)比理論數(shù)據(jù)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)誤差進(jìn)行分析并進(jìn)一步提出改進(jìn)方案。

三、可視化結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果

靜定結(jié)構(gòu)的影響線是結(jié)構(gòu)力學(xué)的重要內(nèi)容，它反映了結(jié)構(gòu)某一量值隨荷載作用位置變動(dòng)時(shí)的變化規(guī)律。通過可視化的結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅能從數(shù)值上得出結(jié)論，鍛煉學(xué)生數(shù)值處理和獨(dú)立撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力，還能通過圖像看到荷載作用下構(gòu)件的受力、變形情況，直觀地感受這種變化規(guī)律。

相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式，可視化教學(xué)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是可視化，試件的變形直接在計(jì)算機(jī)上用圖像顯示，清晰易懂，便于學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，進(jìn)一步加深對(duì)相關(guān)力學(xué)知識(shí)的理解。二是全場(chǎng)測(cè)量，DIC測(cè)量時(shí)通過照片對(duì)比計(jì)算試件位移和變形，識(shí)別區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的變形均可測(cè)得。這有利于學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證，擺脫固定點(diǎn)位的限制。三是非接觸測(cè)量，不會(huì)對(duì)試件性能造成任何影響。

四、結(jié)語

可視化是目前教學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要發(fā)展方向。同濟(jì)大學(xué)以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地為依托，利用不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終選取工字梁進(jìn)行影響線的可視化實(shí)驗(yàn)。和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相比，具有可視化、全場(chǎng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。

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Preliminary study on visualization of experiment course in structural mechanics

CHEN Tao， SUN Kai， YIN Wenliang

（College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， P. R. China）

Abstract：

Based on traditional structural mechanics experiments， the current status of experiment teaching is analyzed. Furthermore， the necessity and feasibility of visualized experiment teaching course in structural mechanics is elucidated. To overcome the shortcomings of the existing teaching experiments and enable students to understand the concept of mechanics better， we try to apply DIC full-field strain measurement system to mechanics experiments teaching， replacing the traditional strain gauge and displacement gauge measurement. Through relevant experiments， the feasibility of visualization of structural mechanics expartment is verified and then a suitable experimental teaching scheme of structural mechanics is discussed.

Key words： structural mechanics; experiment course; mechanical concept; visualization

（責(zé)任編輯 王 宣）

作者簡介：

陳濤（1980—），男，同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事結(jié)構(gòu)疲勞性能評(píng)價(jià)、復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用研究，（E-mail）t.chen@#edu.cn。