數值仿真技術在《基礎工程》教學改革中的應用

楊慶年++李偉偉

摘要：通過一個具體實例，詳細介紹了數值仿真技術軟件在課程教學過程中的應用情況，通過引入先進的數值仿真技術使比較難以理解的基礎工程理論知識更加形象化、直觀化，增強學生對基礎工程理論的理解，培養學生的學習興趣和數值模擬能力，同時提高了教學質量，改善了當前《基礎工程》課程教學中枯燥乏味的局面。

關鍵詞：基礎工程；數值仿真；ANSYS；教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2018）02-0264-02

《基礎工程》這門課程作為土木工程專業的必修課之一，在土木工程技術領域占有極其重要的地位，這門課程的歷史沿革同土木工程專業的發展是緊密相連的[1]。由于該門課程教學內容多，涉及范圍廣，綜合性、實踐性強，規范條文多等特點導致該門課程教學難度大。傳統的教學方式主要以板書講解為主，并配以相應的習題，這造成教學方式單一，學生易產生視覺疲勞感，降低學習效率。因此，在教學過程中要不斷改革教學方法。隨著科技的發展，大力推行計算機輔助教學，引入數值仿真技術，通過對結構的數值模擬，將結構的受力、變形通過圖表、圖形、動畫等方式直觀地呈現給學生，以此激發學生學習興趣，促進教學進步[2]。

一、數值仿真應用于基礎工程教學中的優勢

數值仿真技術是現階段發展較為完整的計算力學方法，它以計算機為手段，通過對實際問題建立抽象化模型，結合數值計算來獲取結構內力和變形，并采用圖像顯示的方法，以云圖和圖表的方式展現計算結果，達到對工程問題和物理問題科學研究的目的。本文作者在教授《基礎工程》課程的過程中，主要根據學生的實際情況，把NSYS的計算和分析方面的優勢充分運用到課程中，并與ANSYS的數值仿真技術充分融合，可以大大促進學生分析和創新能力的提升同時也使教學效果大大提高，激發了學生學習的積極性。

（一）直觀化教學，有利于學生對基本理論知識的理解

《基礎工程》課程內容多、涉及面廣、經驗強、公式多、構造規定多、實踐性強，初學者學起來較為吃力。比如，在講授單樁軸向荷載的傳遞機理時，學生需要掌握施加于樁頂的豎向荷載是如何通過樁—土相互作用傳遞給地基，以及單樁是怎么達到承載力極限狀態的基本概念。對于這些內容，傳統教學方法單純通過教師口頭講解和板書繪圖，不易于學生理解，導致學生普遍感到基礎工程課程理論枯燥、難懂。而ANSYS具有直觀形象的圖形顯示功能，可將抽象的應力、應變、位移等數據轉化為形象生動的圖形，這將有助于提高學生的形象思維能力，幫助學生理解教材內容，并培養學生們分析結構的能力[4]。

（二）引入數值仿真，有利于培養學習興趣、開拓思維

作為專業課程，《基礎工程》的發展與現代科技的發展是緊密相連的。比如，常規設計方法是把地基、基礎和上部結構分開計算，計算上部結構時不考慮基礎剛度及地基變形對其產生的影響；計算基礎時也不考慮上部結構形式及其剛度的影響，這樣所得的結果是基礎設計偏于保守，造成基礎材料的浪費，而上部結構則可能偏于不安全。由于常規設計方法的局限性，1947年，Meyerhof提出基礎與上部結構共同工作的概念[5]。隨著計算機科學技術的發展，利用數值分析方法分析系統的受力性能，分析結果準確、適用性強[6]。引入數值仿真技術的教學方式，可以擴大學生的眼界，擴展學生的知識面，使其熟練地掌握和應用計算軟件，從而能培養學生理論與實踐相結合的能力。

二、數值仿真在基礎工程教學中的具體應用

建筑樁基礎在進行設計時，需要滿足三個方面的要求：強度、變形及上部結構的其他要求。此部分內容是本課程教學中的重點、難點。教材采用以分項系數表達的兩種極限狀態設計表達式進行計算。本文引入新的教學手段，借助于數值仿真軟件，建立有限元模型，開展了對樁基設計的數值模擬。

（一）數值仿真計算過程

1.結構離散化，將需要分析的結構分割成數個單元體。

2.選擇合適的位移差值函數。

3.分析單元的力學特性。

4.建立所有單元的平衡方程，組成整體結構的平衡方程。

5.由平衡方程組求解節點的未知位移，然后計算相應的應力和應變，最后計算出用于設計的內力和變形值。

（二）計算實例及結果分析

1.計算實例。假設承臺樁基礎斷面尺寸如圖1所示[7]。其中，承臺厚1m，全樁長20m，樁底為巖石層，故按照端承樁進行設計計算分析。采用4根直徑為2m的鉆孔灌注樁，基礎和橋墩全部采用C30混凝土，由上部結構傳下來作用于承臺上的力為1.2×105 kN。

首先建立有限元模型并劃分單元網格，樁身采用六面體8節點單元SOLID45號單元；然后施加重力和邊界條件并求解，如圖2所示。

2.結果分析。對建筑樁基礎的內力和變形進行分析，主要包括以下兩方面：（1）變形是否滿足要求；（2）混凝土拉、壓應力是否滿足現行規范中規定設計值。

通過后處理器查看分析結果，單樁的最大豎向位移為7.084mm，滿足設計要求[8]。樁基礎的應力最大拉應力為1.37MPa、最大壓應力為17.2MPa，由規范可知，C30混凝土最大拉應力設計值為1.43MPa，而最大壓應力值為14.3MPa，說明壓應力超過了設計強度，因此應配置足夠的鋼筋方可滿足設計要求。同時，從規范中[8]也可以看出，C30混凝土最大壓應力標準值為20.1MPa，說明此次設計是合理的。

3.調查研究。從上面的例子可以看出，數值仿真直觀而生動地應用到專業課程教學中，不但使學生對知識的理解和掌握能力有所提高，同時也開闊了學生的眼界，提高了學生的學習興趣，而且進一步激勵學生通過直觀的圖像展示去追求抽象的理論知識。針對于教學的效果，本課題組連續三年，對2011、2012、2013級學生通過調查問卷的形式，對引入數值仿真環節授課效果進行調查，從統計結果看，學生認為“該環節對學習有所幫助”的比例占到了92.6%。

三、結論

第一，從調查分析可以看出，數值仿真應用到教學中一個明顯的特點就是直觀，使學生有新鮮感，不僅加深了學生對知識的理解和掌握、提高了學生的學習興趣，拓展了眼界，而且激勵學生通過直觀的圖像展示去追求抽象的理論知識。

第二，數值仿真可以在不同條件下進行重復操作演示，克服了現實中不能或不易實現的演示與設計。進行演示，不但能精確設計結果，而且節約資源。

第三，數值仿真軟件在工程計算分析中得到廣泛的應用，但應用于輔助教學不是很多，因此引入一定的數值仿真輔助教學是十分必要的。

參考文獻：

[1]胡衛東，楊恒山，甘美玲.土木工程專業基礎工程課程的教學改革研究[J].科技創新導報，2010，（29）：132-133.

[2]袁健，丁科.結合專業課程知識的結構力學教學方式探討[J].高等建筑教育，2011，20（2）：56-58.

[3]盧玉林，盧滔，王振宇等.數值仿真技術在建筑力學教學中的應用[J].高等建筑教育，2012，21（2）：137-139.

[4]林紅，胡玉林，薛世峰.ANSYS在工科材料力學教學中的應用[J].電腦學習，2011（1）：15-17.

[5]華南理工大學，浙江大學等.基礎工程[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[6]何本國.ANSYS土木工程應用實例（第三版）[M].北京：中國水利水電出版社，2011.endprint