基于仿真模擬技術的鋼結構課程教學改革

劉文洋　楊光　張兆強　鄭鑫　劉少東

摘要：構建基于仿真模擬技術的鋼結構課程實踐教學新模式，有助于把理論教學與實踐環節有機地結合起來，具有低成本、高效率、內容豐富等特點。本文介紹了仿真模擬技術在鋼結構課程教學過程中的應用，探討了基于仿真模擬技術的鋼結構課程教學改革措施。相關的方法、內容和具體措施對培養土木工程專業學生的實踐能力和創新能力具有積極作用。關鍵詞：仿真模擬；鋼結構教學；教學改革中圖分類號：G642.0

文獻標志碼：A

文章編號：1674-9324（2018）20-0110-02 傳統的鋼結構課程實踐教學往往采用工廠或工地參觀實習、部分課程配套驗證性試驗、少量學生參與科研試驗等方式。但由于目前開設土木工程專業的院校眾多，招收的學生數量也比較大，因此由于實踐教學資源和實驗條件不足，傳統的實踐教學方式和方法已經難以適應教學需求。實踐教學資源的不足直接導致了鋼結構課程除了結合相關的課程設計，培養學生的知識運用能力以外，主要還是以理論講解為主，缺乏相關的實踐教學環節。枯燥的理論推導、計算公式和規范條文使學生對相關知識的學習興趣和理解程度大打折扣。因此，構建基于仿真模擬技術的鋼結構課程實踐教學新模式、探索切實可行的實踐教學實施方案就具有十分重要的現實意義。一、鋼結構課程的教學現狀與改革趨勢目前，各高校的鋼結構課程教學還是主要以理論講解為主，缺乏實踐教學環節。而鋼結構課程的特點是理論推導、計算公式和規范條文多，枯燥的教學內容容易使學生失去學習興趣，影響課程的教學效果和人才培養質量。為緩解這種不利局面，國內部分高校探索建立了本科實驗教學平臺[1，2]，通過實驗平臺輔助鋼結構課程教學，訓練學生對鋼結構基本構件和連接的試驗技能，培養學生的創新意識與創新能力。而不具備實驗條件的大部分高校則采用參觀工程項目、觀看視頻資料、設計制作結構模型并進行加載測試等措施來增強學生對基本構件和結構體系受力性能的理解[3]。但參觀工程項目和觀看視頻資料只能為學生提供對鋼結構的直觀認識，對學生全面深入理解鋼結構基本構件的設計原理幫助有限。因此，部分高校探索建立了仿真模擬實踐教學平臺[3-5]，利用仿真平臺來展示復雜節點構造和結構體系的組成，演示鋼結構基本構件的受力過程。仿真模擬輔助課程教學的新模式突破了傳統的板書或多媒體教學方式，豐富了教學手段，同時也使課堂教學更生動，有助于調動學生的學習積極性。二、基于仿真模擬技術的鋼結構課程教學改革措施將有限元仿真模擬技術與鋼結構課程教學結合，一方面可以在計算機軟件中立體展示各類復雜節點和結構的構造方式與受力機制，還可通過調整視角來實現對虛擬模型的立體觀察。另一方面可以利用有限元模擬的方法對鋼結構基本構件及典型結構體系受力過程進行仿真模擬試驗，對其受力過程與受力性能進行計算機再現。這些分析利用目前廣泛使用的通用有限元軟件（如ABAQUS、ANSYS等）均可比較容易地實現。對于鋼結構設計原理課程，可采用仿真模擬軟件形象地展示各類鋼結構基本構件的失穩過程，如軸心受壓構件的彎曲失穩、彎扭失穩和扭轉失穩、受彎構件的整體失穩、壓彎構件的玩具作用平面內和平面外失穩、構件的局部失穩等。還可以提取構件的線彈性屈曲臨界荷載和失穩模態以及非線性失穩荷載—位移全過程曲線。利用ABAQUS有限元分析軟件構建了鋼結構基本構件分析平臺，可實現不同類型、不同截面、不同尺寸和不同約束條件的各類基本構件的參數化分析，完成各類基本構件的靜力加載分析、特征值屈曲分析、非線性穩定分析等。圖1為利用ABAQUS有限元軟件完成的壓彎構件整體非線性穩定分析。對于鋼結構設計課程，可采用仿真模擬軟件形象地展示各類典型鋼結構體系（如門式剛架廠房、鋼桁架屋蓋、鋼框架、網架、網殼等）的空間組成、失穩模態、振動頻率、振動模態和地震響應過程等?；贏NSYS有限元分析軟件構建了空間網格結構分析平臺，可實現不同類型、不同平面形狀、不同尺寸和不同組成規律的空間網格結構的參數化分析，完成各類空間網格結構的靜力加載分析、特征值屈曲分析、非線性穩定分析、模態分析、地震響應分析和風振響應分析等。圖2為利用ANSYS有限元軟件建立的單層球面網殼結構有限元模型。針對多高層建筑鋼結構，可實現不同類型、不同平面形狀、不同尺寸和不同組成規律的各類多高層建筑鋼結構的參數化分析，完成靜力分析、特征值屈曲分析、非線性穩定分析、模態分析、地震響應分析和風振響應分析等。圖3為利用ABAQUS有限元軟件分析得到的鋼框架結構振動模態。各類鋼結構基本構件及結構體系受力分析的全過程均可提取為視頻文件，用以在課程教學中進行展示介紹。此外，還可以獲取各類鋼結構基本構件和結構體系的相關分析結果，并與教材或規范的理論公式計算結果進行對比。在此過程中提高學生對理論知識的學習興趣和深化對關鍵知識點的理解與掌握，培養學生初步從事科學研究的能力。通過科研方法、科研工具與教學的結合，有力地支撐教學工作開展，促進教學質量提高。三、結語為改善鋼結構課程教學效果，提高人才培養質量，提出構建基于仿真模擬技術的鋼結構課程實踐教學新模式。利用通用有限元分析軟件對鋼結構基本構件及典型結構體系受力性能進行仿真模擬，并將研究成果與鋼結構課程教學實踐相結合，豐富鋼結構課程的教學內容，探索切實可行的鋼結構課程實踐教學實施方案。相關的方法、內容和具體措施不僅對提高鋼結構課程的教學質量具有積極的作用，還能為土木工程專業其他課程的教學提供參考和借鑒，對于培養土木工程專業學生的實踐能力和創新能力具有重要意義。參考文獻：[1]王偉，趙憲忠，郭小農，等.鋼結構多功能教學實驗平臺的研制與實踐[J].高等建筑教育，2009，18（2）：102-104.[2]郭小農，王偉，蔣首超，等.鋼結構基本原理實驗教學探索[J].高等建筑教育，2011，20（1）：149-154.[3]劉文洋，張兆強，解恒燕.鋼結構課程實踐教學環節改革與探索.實驗室科學，2013，16（3）：168-170.[4]李楠，賈宏俊.基于仿真模擬平臺的土木工程主干專業課程實踐教學改革[J].高等建筑教育，2016，25（1）：170-173.[5]陸金鈺，范圣剛.鋼結構穩定原理虛擬仿真平臺開發探索[J].教育教學論壇，2015，（47）：127-128.