鋼構件失穩破壞虛擬仿真實驗教學平臺開發★

楊震鉑 車 偉 闕家星

(中國地質大學(北京)工程技術學院，北京 100083)

0 引言

近年來，仿真技術已廣泛應用于航空航天、汽車制造、交通運輸、消防安全等多個領域[1]。虛擬仿真技術使人機交互方式發生了質的變化，它具有沉浸感、交互性和想象性[2]。虛擬仿真技術優點在于避免現場試驗，利用計算機有限元分析軟件進行實況模擬，將施工機械、模擬內容以及人工操作聯系起來，實現人機交互的目的，效率高，且省去不必要的資源浪費。現代社會各行各業對人才的實踐能力和職業能力要求都比較高,實訓培訓引起了高校的高度重視,因此,高校在學生培養中應該注重對人才的實訓培訓[3]，作為信息技術與教育教學深度融合的“虛擬仿真實驗項目”應運而生[4]。

土木工程專業的綜合性、實踐性強，與工程實際緊密聯系[5]，是國家基礎設施建設、塑造大國工程的基礎行業，是國民經濟的支柱產業，本專業不僅對實踐能力有高要求，軟件使用水平也是重要因素，例如，中國BIM應用正在蓬勃發展，大規模培養相關專業人才日益迫切[6]。實踐能力的培養是工科教育的重中之重，尤其是現代工程具有大型化、復雜化、環境約束條件苛刻等趨勢與特點[7]，高校本科工科領域的實踐教學起著不可替代且不可忽略的作用，然而實踐教學中往往存在如下幾個問題：1)實驗室場地資源有限。實驗室的建設較難滿足日益增多的實驗項目開展[8]，碩士科研實驗與本科生的教學安排沖突日益增長，造成實驗室場地使用緊張的狀況；2)現場試驗開支較大，教學效率不高。土建專業中部分實驗教學涉及高危或極端的環境,不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或綜合訓練復雜等情況[9],導致本應由學生操作的實驗只能以演示實驗的方式進行，導致教學質量下降，學生將理論與實踐結合的能力受到約束。

本文根據土木工程專業課程鋼結構進行虛擬仿真實驗平臺的探索，目的在于建設使抽象知識具象化、將理論知識難點及教學重點與模擬過程有機結合的虛擬平臺，達到減少實驗室開支、提高教學質量的效果。仿真實驗可以把實驗或實訓設備、實訓內容、教師指導和學生操作有機的融合為一體，可在短時間內根據需要建立模擬實驗室或實訓場地[10]。

1 設計內容

設計內容主要包括對受壓構件、受彎構件及坦拱、扁殼構件的失穩過程及狀態分析。

1.1 受壓構件

受壓構件作為一種典型構件，在建筑領域內被廣泛使用，故將軸心受壓構件與壓彎構件的設計與計算分析引入設計內容中。

軸心受壓構件，其軸向力作用線與截面中心軸重合，破壞形式包括強度破壞、整體失穩破壞和局部失穩等。計算過程應包括從構件穩定平衡至失穩，為盡量保證虛擬實驗的準確性，引入鋼構件初始缺陷以及殘余應力參數，使用彈塑性理論進行計算模擬。用戶可通過選擇構件類型并輸入構件長度、壁厚、外徑等幾何參數進行構件定義，輸入長細比、初始缺陷、邊界條件等構件條件完善實驗信息。設計要求是對構件進行失穩模態分析，并輸出極限承載力、臨界力、位移曲線及失穩模態等直觀結果。

壓彎構件的外力作用線與截面中心軸存在一定距離，破壞形式包括強度破壞、整體失穩破壞、單向壓彎構件彎矩作用平面內失穩、單向壓彎構件彎矩作用平面外失穩與局部失穩。試驗參數引入外力偏心距、截面尺寸、外力大小與類型等，同軸心受壓構件，為保證計算結果盡可能與實際試驗測得數據相吻合，使用彈塑性理論對構件受力失穩過程進行模擬，包括初始缺陷、殘余應力參數的引入。

1.2 受彎構件

受彎構件失穩形式包括整體穩定性喪失及局部穩定性喪失。計算過程包括從彈性階段至應變硬化階段。引入的實驗參數包括翼緣寬厚比、腹板高厚比、荷載類型(均布荷載、集中荷載、彎矩等)以及荷載作用位置等。截面類型包括實腹式構件類型、格構式構件類型。經計算分析可輸出直觀的受彎過程(如局部失穩中，梁構件受壓應力作用，翼緣和腹板上受力區域可能偏離正常位置而形成波形屈曲)。

1.3 坦拱構件與扁殼構件

由于拱形與殼型結構在建筑設計中被廣泛使用，且相對于受壓與受彎構件，其受力分析更為繁瑣，故將這兩種典型構件引入平臺設計內容內。構件類型包括格構式、肋型拱，針對這兩種類型的構件，建立坦拱構件與扁殼構件模塊，引入構件跨度、矢高、受力特征、支座形式、鉸數等參數供用戶選擇，并經過處理運算，呈現失穩結果供用戶參考。

2 設計流程

2.1 系統框架及功能

在平臺實際設計之前，對系統框架以及其主要功能進行設計及安排，主要包括三種功能：選擇構件、計算分析、結果輸出。為滿足用戶需求，以及盡可能提升平臺運行效率，根據平臺主要完成的任務，將主要功能分為五個模塊：構件模塊、參數輸入模塊、APDL命令流文件生成、啟動ANSYS、輸出結果。框架模塊如圖1所示。

構件模塊功能主要是為用戶提供可計算的構件形式，包括受壓構件模塊、受彎構件模塊、拱殼構件模塊，用戶在選擇過所需要的構件形式后，進入參數輸入模塊。

參數輸入模塊功能是為用戶所選構件進行參數賦值。在這一模塊中用戶可根據實際情況對構件參數進行更改，參數輸入完畢，即進入命令流文件生成模塊。

命令流文件生成模塊功能主要是提供可由有限元軟件調用的命令流文件，此文件為軟件計算提供命令，文件生成后，進入運行ANSYS模塊。

運行ANSYS模塊功能是有限元軟件ANSYS執行命令流，對命令流文件進行數值運算，在完成計算分析后，進入結果輸出模塊。

結果輸出模塊的功能是將ANSYS計算的結果輸出，以圖像、動態視頻和數字的形式呈現給用戶，供用戶參考。

2.2 設計流程

開發的基本思路與步驟為：第一步，搭建平臺框架，編寫APDL命令流文件，對計算參數進行前處理；第二步，編寫VC++程序，使得系統可根據用戶的輸入，將新參數賦值給APDL命令流文件中對應的參數，對APDL命令流進行封裝嵌套；第三步，由有限元分析軟件ANSYS對賦值過后的命令流文件進行調用，并計算分析生成結果；第四步，編寫VC++程序，將ANSYS計算結果輸出至平臺主界面。

VC++是典型的面向對象開發程序，具有集成開發環境，可用來創建應用程序等，也可用來建立可視化界面，同時具有加速開發和處理所有類型數據的語言增強功能。基于ANSYS并沒有具有面向對象特性的程序接口，但具有對命令流APDL語言的開發接口，故將命令流接口技術作為兩個軟件的交流橋梁，將兩個軟件有機結合起來，共同工作，其中命令流文件、VC++程序與軟件ANSYS三者與接口技術的關系如圖2所示。

ANSYS軟件、APDL命令流文件與VC++程序關系如圖2所示，在開發過程中將已滿足某一構件或結構的計算要求APDL分析命令流文件封裝到VC++中，并在書寫過程中加入一些關鍵參數的參數變量化調節命令，使得用戶可根據自身需要對計算參數進行新的賦值，這樣寫出來的APDL命令流文件雖然均可單獨調用ANSYS進行運算，但對于用戶的操作來說過于繁瑣，故利用VC++與ANSYS對APDL命令流文件的調用接口技術，實現由VC++程序調用ANSYS，并進一步使ANSYS自動調用APDL模塊進行相關計算，最終將計算結果輸出到利用VC++開發的界面上。

2.3 部分APDL命令流文件書寫

為滿足ANSYS對APDL命令流文件的調用目的，在命令流文件中應包括材料、單元、截面定義，幾何模型的建立，約束的施加，特征值屈曲分析等必要功能，利用VC++語言的編寫，可以實現VC++對命令流文件中參數的更改，從而利于ANSYS調用計算。所寫出的APDL命令流文件如表1所示。

表1 APDL命令流文件

3 界面設計

3.1 主界面

主界面內容為構件選擇模塊，在此界面上提供構件模塊供用戶選擇，同時設有結果輸出界面，由軟件分析計算后的結果可被調回主界面上，清晰簡潔。

3.2 參數設置界面

構件模塊選擇完成后，進入參數設置界面，包括鋼材參數設置與外力參數設置，本頁面也設有最終計算結果輸出處，同時文件選項中包括對計算文件進行保存、打印等功能選擇，在運行選項中可對運行進程進行暫停或打斷，顯示選項中可調整模態圖、圖像的大小比例，如圖3所示。

在對鋼材材料參數進行定義及賦值的界面中，可對鋼材截面類型(工字鋼、十字型鋼、圓形鋼、T型鋼等)、材料類型(鋼材型號)、受力特征、幾何參數(高度、寬度、壁厚、慣性矩、外徑等)等參數進行定義，同時出于實驗精確性，遵循彈塑性理論，本界面可對邊界條件、長細比、初始缺陷等參數進行補充，如圖4所示。

在外力參數設置界面中，用戶可根據鋼材構件實際受力情況，對外力類型、外力大小以及作用位置進行定義，外力類型包括均布荷載、集中荷載、彎矩等；作用位置可根據預設條件或用戶手動選擇，較為方便，如圖5所示。

4 運行展示

如圖6，圖7所示，經過用戶參數賦值，VC++生成APDL命令流后，對ANSYS發送命令，使其調用生成的命令流，對所給結構進行計算分析，并將失穩模態圖、荷載位移曲線、理論穩定系數與最大承載力、實際最大承載力輸出至頁面，供用戶參考，如圖8所示。此處以雙軸對稱截面軸壓柱彎曲失穩模擬與集中荷載作用下懸臂梁平面外彎扭失穩模擬為例。

5 結語

本文圍繞基于有限元分析軟件ANSYS與面向對象開發程序VC++而開發的鋼結構虛擬仿真實驗平臺，完成了如下內容：

1)完成對受壓構件、受彎構件及坦拱、扁殼構件模塊的內容設計，對其失穩形式、截面類型等作了設計，同時考慮了應引入的相關參數；

2)對系統進行框架設計，完成運行思路與操作流程。利用接口技術，將VC++，ANSYS，APDL命令流文件有機結合，共同工作；

3)設計了界面形式，使其具有輸出理論公式解析解、模態受力圖、關鍵點位移追蹤圖像等直觀結果的效果。