虛擬仿真技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)實驗中的應(yīng)用

于卓然

【摘 要】針對土木工程實驗的特點(diǎn)和工程結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，闡述了當(dāng)前教學(xué)模式存在的問題。以吉首大學(xué)力學(xué)與工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心為平臺，對“鋼筋混凝土梁正截面受彎性能實驗”和“鋼桁架靜力加載實驗”給出教學(xué)案例，獲得了學(xué)生的廣泛好評。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真;工程結(jié)構(gòu);實驗教學(xué);信息化

中圖分類號： TP391.9?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）18-0147-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.070

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程是土木工程本科教學(xué)的重要組成部分，由于此類課程實踐性較強(qiáng)，因此實驗教學(xué)就顯得尤為重要[1，2]。傳統(tǒng)實驗教學(xué)有著無法克服的弱點(diǎn)，筆者根據(jù)湖南省教育廳《關(guān)于開展2016年省級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（湘教通〔2016〕143號）精神，以吉首大學(xué)“力學(xué)與工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心”為平臺，大力推進(jìn)實驗教學(xué)信息化建設(shè)，推動實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新，提高工程結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)的效果與質(zhì)量[3]。

1 土木工程專業(yè)實驗的特點(diǎn)

土木工程專業(yè)的實驗與其他專業(yè)有所不同，往往具有以下幾個特點(diǎn)：

1）實驗費(fèi)用昂貴。土木工程專業(yè)建造對象包括房屋、道路、隧道、橋梁、堤壩、給水排水以及防護(hù)工程等。港珠澳大橋主橋長29.6千米，上海中心大廈總高632米，進(jìn)行這些建筑的實體實驗幾乎是不可能的，即使是進(jìn)行縮尺實驗，對于普通學(xué)校而言，仍然難以實現(xiàn)。

2）建造周期過長。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工周期一般較長，我國港珠澳大橋耗時近10年才完成，一幢普通的住宅小區(qū)最快也需要1年的工期，學(xué)生在認(rèn)識實習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)的過程中很難了解全部的建設(shè)過程。

3）實驗不可逆。土木工程結(jié)構(gòu)實驗很多都是破壞性實驗，結(jié)構(gòu)一經(jīng)損壞，無法重復(fù)使用，這就對實驗的設(shè)計有極高的要求，不能出現(xiàn)任何偏差。

4）危險系數(shù)高。工程結(jié)構(gòu)實驗很多都是脆性破壞，例如鋼筋混凝土超筋梁和少筋梁的正截面受彎性能實驗。此類實驗破壞較突然，學(xué)生的實驗安全教育顯得十分重要。

5）實驗難度大[4]。實際生活中工程結(jié)構(gòu)面臨的環(huán)境十分復(fù)雜，例如風(fēng)荷載，需要通過風(fēng)洞試驗進(jìn)行模擬。這類實驗操作難度較高，限于理論知識的匱乏，本科生往往難以達(dá)到實驗準(zhǔn)入要求。

2 教學(xué)現(xiàn)狀

吉首大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院經(jīng)過專業(yè)認(rèn)證改革之后，結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗課已獨(dú)立于理論課程單獨(dú)開課，成為土木工程專業(yè)實驗課程的一個重要組成部分。該課程包括鋼筋混凝土超筋梁和少筋梁的正截面受彎性能實驗、鋼筋混凝土斜截面破壞實驗、鋼筋混凝土柱偏心受壓實驗和鋼桁架靜力加載實驗等。

由于吉首大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗中心尚未建設(shè)完成，專業(yè)學(xué)生只能觀摩教師進(jìn)行演示實驗。學(xué)生手動記錄儀器儀表數(shù)據(jù)后撰寫實驗報告。這種實驗方式往往有以下弊端：1）大部分學(xué)生只能在一旁圍觀，無法獲得親自動手操作的機(jī)會，外圍學(xué)生很難看到破壞全過程，例如中性軸位置的改變情況、裂縫及撓度的發(fā)展情況等，導(dǎo)致教學(xué)效果被嚴(yán)重削弱。2）學(xué)生記錄的只是離散的數(shù)據(jù)對，需要進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的后期處理才能得到數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，比如荷載—應(yīng)變曲線等。3）在實驗過程中，沒有辦法觀測到試件的宏觀狀態(tài)與微觀應(yīng)力的聯(lián)系，比如鋼筋的本構(gòu)和裂縫發(fā)展的關(guān)系等。

3 “鋼筋混凝土梁正截面受彎性能實驗”虛擬仿真教學(xué)案例

吉首大學(xué)“力學(xué)與工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心”是湖南省教育廳28個重點(diǎn)建設(shè)項目之一，它依托計算機(jī)技術(shù)高度還原實驗現(xiàn)場，能讓學(xué)生深刻體會實驗構(gòu)件的受力機(jī)理，彌補(bǔ)了實踐教學(xué)的不足。

3.1 系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)為Web端B/S架構(gòu)程序，可在微軟Windows操作系統(tǒng)下被遠(yuǎn)程/本地訪問，支持但不限于WINDOWS XP專業(yè)版32位、WIN7旗艦版32及64位環(huán)境。人機(jī)交互界面采用Windows操作風(fēng)格，對控制、命令和輸入方法都進(jìn)行了規(guī)范化，從而使操作者易于使用，經(jīng)過簡單的培訓(xùn)就可上機(jī)操作。

3.2 實驗?zāi)康?/p>

1）掌握鋼筋混凝土簡支梁靜力加載實驗方法。2）掌握各儀器儀表的使用方法。3）觀察梁在分級加載過程中的破壞過程。4）校核簡支梁的強(qiáng)度和剛度、鋼筋應(yīng)力變化情況、中性軸位置的改變情況、裂縫及撓度的發(fā)展情況等。

3.3 虛擬實驗過程

在登錄框輸入姓名/學(xué)號之后，點(diǎn)擊“登錄”進(jìn)入。當(dāng)用戶進(jìn)入到實驗設(shè)定界面后，首先選擇構(gòu)件尺寸，如圖1所示。在系統(tǒng)的輸入框中分別輸入配筋率、混凝土強(qiáng)度和鋼筋強(qiáng)度等，同時下方也會出現(xiàn)“智能提示”按鈕，可以幫助用戶輸入，如圖2所示。用戶通過計算，求得理論數(shù)據(jù)，分別為：開裂荷載、極限荷載、開裂時鋼筋應(yīng)變、開裂時跨中撓度、鋼筋屈服時跨中撓度等，再一一對應(yīng)輸入。針對計算的結(jié)果，用戶可以對加載程序進(jìn)行設(shè)計，將設(shè)計結(jié)果輸入到系統(tǒng)之中，以進(jìn)行核對，如圖3所示。最后，當(dāng)系統(tǒng)對用戶輸入的參數(shù)核對完畢時，允許進(jìn)入虛擬實驗環(huán)節(jié)。這時就可點(diǎn)擊“下一步”，場景跳轉(zhuǎn)至混凝土制作演示界面。用戶可以自行點(diǎn)擊下一步，觀看混凝土制作過程，如圖4所示。

當(dāng)自動漫游結(jié)束之后，進(jìn)入到虛擬實驗界面，如圖5所示。該界面是本系統(tǒng)的核心界面，涉及到諸多操作和內(nèi)容顯示。界面上方，主要是用戶登錄信息，在實驗結(jié)束后，會以該信息作為索引輸出。界面下方，主要是實驗耗時、步驟提示（當(dāng)期狀態(tài)）、數(shù)據(jù)記錄、操作日志等。當(dāng)用戶點(diǎn)開“數(shù)據(jù)記錄”后，會顯示出當(dāng)前實驗進(jìn)度下已經(jīng)取得的實驗數(shù)據(jù)，包括應(yīng)變數(shù)據(jù)集、撓度數(shù)據(jù)集、裂縫數(shù)據(jù)集等，用戶可以點(diǎn)擊切換查看，如圖6所示。用戶也可以在實驗過程中的任意時刻、任意階段點(diǎn)擊“操作記錄”查看自己的操作歷史，由此判斷自己的錯誤率情況。

在用戶完成了整個實驗，或者直接終止實驗后，系統(tǒng)會跳轉(zhuǎn)至實驗結(jié)果界面。該界面主要由系統(tǒng)通過智能分析操作數(shù)據(jù)、讀取結(jié)果和錯誤次數(shù)等，綜合評判給予分?jǐn)?shù)，如7所示。為了方便用戶撰寫報告，用戶點(diǎn)擊“保存到桌面”按鈕，可以將數(shù)據(jù)下載保存，如圖8所示。

4 “鋼桁架靜力加載實驗”虛擬仿真教學(xué)案例

桁架（truss），是由直桿組成的一般具有三角形單元的平面或空間結(jié)構(gòu)。在荷載作用下，桁架桿件主要承受軸向拉力或壓力，從而能充分利用材料的強(qiáng)度，在跨度較大時可比實腹梁節(jié)省材料，減輕自重和增大剛度，故適用于較大跨度的承重結(jié)構(gòu)和高聳結(jié)構(gòu)。

4.1 實驗?zāi)康?/p>

1）掌握桁架結(jié)構(gòu)靜力加載實驗的過程和方法。2）掌握應(yīng)變和撓度測量儀器的安裝和使用方法。3）掌握數(shù)據(jù)處理分析和結(jié)構(gòu)性能評定的方法，解決工程實際問題。

4.2 虛擬實驗過程

在登錄框輸入姓名/學(xué)號之后，點(diǎn)擊“登錄”進(jìn)入設(shè)置界面。設(shè)置界面包含五項：結(jié)構(gòu)尺寸及加載、構(gòu)件選擇、材料強(qiáng)度、加載程序設(shè)計和構(gòu)件測試組。用戶自行輸入跨度、高度、構(gòu)件規(guī)格、材料強(qiáng)度和荷載大小，如圖9所示。設(shè)置完成后進(jìn)入實驗界面，整個頁面主要由頁面上欄，底欄的UI和頁面中央的三維場景組成，如圖10所示。

用戶按照實驗手冊的說明安放好相關(guān)儀器設(shè)備后，點(diǎn)擊千斤頂起壓器開始加載，位移、應(yīng)變可以在百分表和應(yīng)變儀中顯示出來，如圖11所示。學(xué)生需要對比虛擬加載實驗值和理論計算值，結(jié)果頁面會根據(jù)計算誤差給出評分，如圖12所示。

5 結(jié)論

虛擬仿真技術(shù)具有成本低、效率高、可重復(fù)等特點(diǎn)[5]，依托計算機(jī)技術(shù)，高度還原了真實實驗環(huán)境和實驗對象，為學(xué)生開展自主實驗提供了友好開放的平臺，彌補(bǔ)了實踐教學(xué)的不足。通過問卷調(diào)查，上述虛擬實驗方法使學(xué)生對相關(guān)理論知識有了更深刻的理解，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)理論課程的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生科研和解決實際工程問題的能力。

【參考文獻(xiàn)】

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