基于虛擬儀器的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐明+李紅兵+肖士者等

摘要：針對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)及現(xiàn)狀，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)試技術(shù)緊密融合，自主設(shè)計(jì)基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示系統(tǒng)。以實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示為目的，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)類別選擇、參數(shù)設(shè)置、圖形實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)再現(xiàn)等功能。實(shí)踐表明，該演示系統(tǒng)為開(kāi)展工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了友好而開(kāi)放的平臺(tái)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理；虛擬儀器；演示系統(tǒng) ；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642423；TU318文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2015）06014105工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程是土木工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門(mén)理論性、經(jīng)驗(yàn)性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程。它的概念原理及理論發(fā)展很多都是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，因此，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)的一個(gè)重要組成部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維、增長(zhǎng)學(xué)生的創(chuàng)新技能、涵養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新品格方面的作用，是其他任何教學(xué)形式所不能替代的[1]。通過(guò)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)，不僅能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理的理解，對(duì)建筑工程結(jié)構(gòu)的受力過(guò)程及破壞形態(tài)有更加直觀的認(rèn)識(shí)，而且能夠提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)土木工程專業(yè)的興趣及研究熱情[2-3]。

由于該課程實(shí)踐性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為影響教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。隨著本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)投入的日益加大，傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法已不能滿足知識(shí)、能力、素質(zhì)并重的新型工程設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)要求，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革迫在眉睫。

一、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

東南大學(xué)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)2008年的教學(xué)改革，已經(jīng)獨(dú)立于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程而成為土木工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的一個(gè)重要組成部分。該實(shí)驗(yàn)課包括鋼筋混凝土超筋梁和少筋梁的正截面受彎性能實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土斜截面斜壓和斜拉破壞實(shí)驗(yàn)等4個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，及鋼筋混凝土適筋梁正截面受彎性能實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土梁斜截面抗剪性能實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土柱大偏心受壓性能實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土柱小偏心受壓性能實(shí)驗(yàn)、鋼柱軸心受壓失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)和磚砌體受壓性能實(shí)驗(yàn)等6個(gè)實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)。

以往工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)中不管是演示實(shí)驗(yàn)，還是實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)，所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均未采用自動(dòng)采集，這主要是為了鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，學(xué)習(xí)各種儀器儀表的測(cè)量方法。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)這種方式雖然對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的鍛煉是有益的，但是對(duì)于演示實(shí)驗(yàn)卻存在一定的缺陷。這主要表現(xiàn)為：（1）演示實(shí)驗(yàn)的主要目的是向?qū)W生展示基本構(gòu)件的受力過(guò)程及破壞形態(tài)，讓他們對(duì)超筋梁和少筋梁的受彎破壞及斜截面斜壓和斜拉破壞有直觀的認(rèn)識(shí)，動(dòng)手能力的鍛煉不是主要目的。（2）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方式在演示實(shí)驗(yàn)中向?qū)W生展示的僅是直觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（荷載、位移、應(yīng)變等），但是沒(méi)有建立起這些數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，如：實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的荷載—位移關(guān)系、實(shí)驗(yàn)構(gòu)件中鋼筋的荷載—應(yīng)變關(guān)系、實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的整體變形曲線、沿截面高度混凝土應(yīng)變的分布情況等。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)完成后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析才能得到。（3）在演示實(shí)驗(yàn)中，需要建立的是實(shí)驗(yàn)試件的表觀現(xiàn)象（裂縫、壓碎等）與內(nèi)在受力（拉應(yīng)力、壓應(yīng)力等）之間的直接聯(lián)系，如實(shí)驗(yàn)構(gòu)件出現(xiàn)裂縫對(duì)應(yīng)著荷載—位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，液壓千斤頂加載緩慢對(duì)應(yīng)著實(shí)驗(yàn)構(gòu)件荷載—位移曲線上的屈服段及鋼筋荷載—應(yīng)變曲線的屈服段等。只有這樣，才能讓學(xué)生將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與構(gòu)件內(nèi)在的受力狀態(tài)緊密地聯(lián)系起來(lái)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)構(gòu)件受力機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法的改革，把計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)試技術(shù)緊密融合，是課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方法改革的新途徑[4]。自主研制的虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有多功能、多用途、成本低廉等特點(diǎn)，在投資很少的情況下實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境現(xiàn)代化、規(guī)模化建設(shè)，同時(shí)為學(xué)生開(kāi)展自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供友好而開(kāi)放的平臺(tái)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

徐明，等基于虛擬儀器的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

二、系統(tǒng)硬件配置方案

根據(jù)該演示系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定，需要采集的信號(hào)有位移信號(hào)、力信號(hào)和應(yīng)變信號(hào)。位移信號(hào)的采集設(shè)備選擇YHD-50型位移傳感器，其量程±50 mm，靈敏度系數(shù)K=2.0；力信號(hào)的采集設(shè)備選用應(yīng)變式壓力傳感器，以全橋電路接入；應(yīng)變信號(hào)的采集設(shè)備為應(yīng)變片，以1/4橋電路接入。所有傳感器都接入TST3826靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析儀，該分析儀可實(shí)現(xiàn)40路單端模擬輸入的信號(hào)采集，接入方式可選擇1/4橋（公共補(bǔ)償、三線制）、半橋、全橋等方式，最高分辨率1με，供橋電壓2V，采用USB接口，即插即用，方便可靠，其內(nèi)置的Q-FAN溫度控制系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步減少溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

三、基于LabVIEW的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一） LabVIEW軟件簡(jiǎn)介

LabVIEW是一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具，主要用于開(kāi)發(fā)測(cè)試、測(cè)量與控制系統(tǒng)。它是專門(mén)為工程師和科學(xué)家設(shè)計(jì)的直觀圖形化編程語(yǔ)言。它將軟件和各種不同的測(cè)量?jī)x器硬件及計(jì)算機(jī)集成在一起，建立虛擬儀器系統(tǒng)，以形成用戶自定義的解決方案[5-7]。

（二）程序總體設(shè)計(jì)方案

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，以方便程序的調(diào)試和擴(kuò)展修改，同時(shí)需要程序具有良好的操作性能，以降低學(xué)生運(yùn)行程序時(shí)對(duì)虛擬儀器專業(yè)知識(shí)的要求；需要采用圖標(biāo)控件或菜單實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，以增強(qiáng)程序的操作簡(jiǎn)便性；需要具有一定的試驗(yàn)狀態(tài)檢測(cè)與程序診斷功能，便于提示學(xué)生程序非正常運(yùn)行狀態(tài)的原因。

基于上述原則，制定工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示系統(tǒng)的程序功能流程圖，如圖1所示。該程序能夠進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)是為實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)做鋪墊，其所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均是根據(jù)理論計(jì)算公式計(jì)算得到。該實(shí)驗(yàn)主要作用是讓學(xué)生在實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)前，對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程有充分的了解，虛擬實(shí)驗(yàn)也可以作為理論課教師課堂授課時(shí)演示使用。實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均是通過(guò)壓力傳感器、位移傳感器及應(yīng)變片等傳感器在真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集的，其主要作用是為了能夠在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，繪制圖形，使學(xué)生可以實(shí)時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)構(gòu)件表面現(xiàn)象與內(nèi)在受力狀態(tài)之間的關(guān)系。

（三）用戶界面設(shè)計(jì)

軟件界面主要分為演示系統(tǒng)主界面、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置區(qū)、實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示區(qū)、實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖形顯示區(qū)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)再現(xiàn)區(qū)。

系統(tǒng)主界面用于根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)類別，該演示系統(tǒng)可以進(jìn)行下列虛擬或?qū)崪y(cè)實(shí)驗(yàn)：鋼筋混凝土梁受彎性能實(shí)驗(yàn)（包括超筋、少筋、適筋）、鋼筋混凝土梁受剪性能實(shí)驗(yàn)（斜拉、斜壓、剪壓）、鋼筋混凝土柱偏心受壓性能實(shí)驗(yàn)（大偏壓與小偏壓）、鋼柱軸心受壓性能實(shí)驗(yàn)及砌體抗壓性能實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。同時(shí)用戶可以在已有程序框架基礎(chǔ)上，很容易開(kāi)發(fā)出其它類別實(shí)驗(yàn)的演示系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置區(qū)用于手工輸入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)構(gòu)件尺寸、材料力學(xué)性能、配筋以及相關(guān)儀器參數(shù)等，以受彎梁實(shí)驗(yàn)為例，如圖3所示。

實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示區(qū)以直觀的儀表形式，顯示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)各種傳感器采集到的荷載、位移、應(yīng)變等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖4所示。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)再現(xiàn)區(qū)用于將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存檔，并能根據(jù)歷史文檔重新繪制圖形，方便學(xué)生課后自行整理實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（四）后臺(tái)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)后臺(tái)程序設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和圖形顯示模塊。借助DAQ數(shù)據(jù)采集模式，快速實(shí)現(xiàn)了多路混合信號(hào)的同步采集，經(jīng)分解后得到隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)陣列。后臺(tái)采用“條件結(jié)構(gòu)”和“事件結(jié)構(gòu)”調(diào)用實(shí)驗(yàn)類別所對(duì)應(yīng)的子VI，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)部分的程序采用“平鋪式順序結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)整個(gè)框架，事件按幀排列，使用“條件結(jié)構(gòu)”判斷虛擬實(shí)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)實(shí)驗(yàn)。針對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)，程序調(diào)用“公式節(jié)點(diǎn)”根據(jù)所設(shè)參數(shù)對(duì)構(gòu)件的荷載、變形、應(yīng)變、受壓區(qū)高度等進(jìn)行理論計(jì)算，同時(shí)將計(jì)算結(jié)果輸至實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖形實(shí)時(shí)顯示界面；針對(duì)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，使用“調(diào)用庫(kù)函數(shù)”節(jié)點(diǎn)對(duì)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析儀的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（.dll文件）進(jìn)行調(diào)用，“.dll”文件提供了stdcall（WINAPI）格式的接口，使用“條件結(jié)構(gòu)”判斷“查找儀器”，找到則進(jìn)行“真”的操作，否則繼續(xù)等待下次查找，如圖6所示。找到儀器后設(shè)置各傳感器的靈敏度系數(shù)，然后開(kāi)始采樣，如圖7所示。將采樣結(jié)果按加載次序累加到一系列數(shù)組，而前面的數(shù)據(jù)保持不變，并傳至實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖形顯示界面實(shí)時(shí)顯示，呈現(xiàn)隨加載進(jìn)程變化的曲線圖，如圖5。最后，后臺(tái)程序采用條件結(jié)構(gòu)判斷是否導(dǎo)出數(shù)據(jù)，如果選擇是，程序根據(jù)所選文本文件位置打開(kāi)文件，并采用“寫(xiě)入文本文件”子VI將本次所有參數(shù)以及所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫(xiě)入該文本。寫(xiě)入完畢后，當(dāng)點(diǎn)擊“讀取文件”命令時(shí)，后臺(tái)程序采用“讀取文本文件”子VI將該文件數(shù)據(jù)讀入一系列數(shù)組中，并輸至實(shí)時(shí)顯示圖形窗口，文件讀寫(xiě)操作如圖8所示。

實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖形顯示區(qū)用于根據(jù)虛擬或?qū)崪y(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的荷載、位移及應(yīng)變等的關(guān)系曲線（梁變形圖、沿截面高度混凝土應(yīng)變分布、荷載—跨中位移、荷載—混凝土應(yīng)變、荷載—鋼筋應(yīng)變等）實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，如圖5所示。以鋼筋混凝土受彎構(gòu)件為例，學(xué)生可以根據(jù)沿截面高度混凝土應(yīng)變分布圖實(shí)時(shí)了解實(shí)驗(yàn)構(gòu)件在受力過(guò)程中中和軸的變化情況，通過(guò)荷載—鋼筋應(yīng)變圖實(shí)時(shí)了解梁內(nèi)受拉主筋的屈服情況，通過(guò)荷載—跨中位移曲線實(shí)時(shí)了解實(shí)驗(yàn)構(gòu)件開(kāi)裂及屈服情況，從而與學(xué)生在演示實(shí)驗(yàn)中觀察到的受彎構(gòu)件的表觀形態(tài)對(duì)應(yīng)起來(lái)，加深對(duì)鋼筋混凝土受彎構(gòu)件受力機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

四、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)理論課教師和學(xué)生的信息反饋來(lái)看，上述方法和措施在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革中的應(yīng)用，使學(xué)生對(duì)各項(xiàng)知識(shí)點(diǎn)的理解和應(yīng)用能力有了很大的提高。通過(guò)教改切實(shí)提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，不僅使學(xué)生深入理解和掌握了工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的基本理論知識(shí)，而且著力培養(yǎng)了學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的方法解決實(shí)際工程問(wèn)題及開(kāi)展科學(xué)研究的能力。

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Design of experimental teaching demonstration system for the principle of

engineering structural design based on the virtual instrument

XU Ming， LI Hongbing， XIAO Shizhe， ZONG Zhouhong

（College of Civil Engineering， Southeast University， Nanjing 210096， P. R. China）

Abstract： According to the characteristics and situation of the principle of engineering structure design， experimental teaching demonstration system was designed independently based on the virtual instrument， which combined computer technology with testing technology closely. The data processing and interface display program for the experimental teaching demonstration had functions of experiment types selection， parameter setting， graphics realtime display， and data storage and reproduction. Practice result shows that the demo system provides a friendly and open platform for students to carry out the engineering structure experiments， which has a broad application prospect.

Keywords： principle of engineering structure design； virtual instrument； demonstration system； experimental teaching