高職院校以ANSYS為向導的理論課程教學改革研究

劉波+甘濤+楊自超+曹淼

摘 要：壓桿穩(wěn)定是鋼結構設計中的重點和難點。高等院校對鋼結構設計原理的教學以理論教學為主，學生普遍接受和理解程度低。實踐證明引入ANSYS到《鋼結構》課堂教學能夠增強學生積極探索的興趣和對國際知名軟件的了解。對教學質量提高具有重大的實踐意義和廣闊的應用前景。

關鍵詞：ANSYS；鋼結構；壓桿穩(wěn)定性

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9132（2017）35-0005-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.35.001

鋼結構作為土木工程的重要結構之一，備受工程界技術人員和社會投資者青睞。國務院《關于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》指出要大力發(fā)展裝配式混凝土建筑和鋼結構，推動建造方式創(chuàng)新。為此，學者積極研究鋼結構教學改革，為社會輸送能夠切實分析和解決鋼結構問題的人才具有重大的實際意義。目前我國高等教育對鋼結構的教學普遍停留在理論教學的階段。一方面，是因為受學校教學資源的限制；另一方面，是因為教師對鋼結構的重視程度低。最終導致學生很難理解鋼結構工程中的諸多重要概念，甚至對學生工程實踐產生負面影響。教學中，引入有限元分析軟件ANSYS有助于改善上述困境。因此，加大對鋼結構課程的重視程度以及在鋼結構課程中，結合ANSYS軟件與傳統理論進行授課顯得尤為重要。在鋼結構教學課程活動中，通過ANSYS軟件對鋼結構進行仿真分析，讓學生直觀了解構件的應力、應變、位移云圖及構件的各種力學破壞過程和特征，以彌補實驗教學的不足。

一、壓桿穩(wěn)定性理論

長而細的鋼結構構件除出現連接處的強度破壞外，還可能出現當截面上的平均應力還遠低于材料的屈服應力時，一些微小的擾動使得構件產生很大的變形，使其不能保持原來的直線平衡狀態(tài)，從而失去穩(wěn)定性。近些年，國內外的專家學者對鋼結構的穩(wěn)定性研究取得了不少成果并且進一步完善了鋼結構的彈塑性穩(wěn)定理論，對于實際的受壓構件屈曲，考慮了初始撓度和殘余應力等缺陷對鋼結構受力性能的影響，在數值方法求解鋼結構的穩(wěn)定極限荷載方面同樣取得了不少成果。壓桿失去穩(wěn)定性主要分成三類：平衡分叉失穩(wěn)、極值失穩(wěn)、躍越失穩(wěn)。假設任意一點的撓度y0=？淄0 sin（？仔z/l），軸力作用下，撓度增加。同時建立彎曲狀態(tài)的彈性壓桿的平衡方程。

二、ANSYS仿真模擬

（一）算例參數設定及建模

算例利用ANSYS研究兩端鉸接的軸心受壓柱且視材料為理想的彈塑性材料。截面形式采用H型鋼，腹板厚度為0.006m；翼緣厚度為0.010m；截面高度為0.220m；截面寬度為0.220m；高度為4m；鋼材為Q235；彈性模量E=208GPa；泊松比ν=0.35。假設初始跨中彎曲為10mm，查閱《鋼結構設計規(guī)范》得：該受壓構件的容許長細比λ=150；由以上參數設置并且選用BEAM188單元，建立節(jié)點，將節(jié)點連接成線，劃分若干單元后，可建立模型。

（二）輸出結果并分析

基于以上模型加軸心荷載進行模擬實驗，荷載分別為500KN、1000KN、1500KN、2000KN。輸出構件變形云圖，以500KN和2000KN對應云圖為例進行對比。

提取以上仿真模擬最大撓度數據可得：軸心荷載N=500KN、1000KN、1500KN、2000KN時，有限元結果撓度y=0.075mm、0.15mm、0.2mm、0.3mm。通過直觀的仿真模擬，不難發(fā)現，隨著軸壓荷載的增加，構件撓度增加，且其撓度最大位置隨荷載的增加有所下移。

三、結論

ANSYS仿真模擬教學大大提高了學生的學習興趣。通過仿真模擬，學生可以系統學習到建立各種有約束條件的模型，培養(yǎng)了學生建立問題、解決問題的能力。通過仿真模擬教學，引入ANSYS到鋼結構課堂教學，能夠增強學生對國際知名軟件的了解。

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