ANSYS輔助土木工程專業課程教學的思考

［摘 要］ 土木工程專業課程涉及面廣，專業度高，其主要內容分為專業基礎課和專業核心課兩大類，涉及的專業術語多，前后課程關聯性強，并要求學生在學習中能夠將具體工程問題抽象為典型工程模型進行分析計算。ANSYS是一款集建模求解能力、非線性分析能力、網格劃分及優化能力、耦合分析能力為一體的有限元分析軟件，在土木工程中被廣泛運用。在土木工程專業課程中，利用ANSYS輔助分析工程問題，能使抽象模型直觀化、復雜信息有序化、分析結果形象化，能夠提高學生的學習興趣和自主實踐能力。

［關鍵詞］ ANSYS；土木工程專業課程；課程教學

［基金項目］ 2020年度西南交通大學教改項目“新工科背景下交通土建特色專業未來卓越工程師工匠精神培養的探索與實踐”（20201001-07）；2021—2023年四川省高等教育人才培養質量和教學改革項目“賽訓融合、創新發展，探土木雙創人才培養新模式”（JG2021-264）

［作者簡介］ 余志祥（1976—），男，四川峨眉山人，博士，西南交通大學土木工程學院教授，主要從事結構工程研究；劉楠楓（2001—），男，重慶人，西南交通大學土木工程學院2019級工程造價專業本科生，主要從事工程造價研究；張 明（1983—），男，黑龍江佳木斯人，博士，西南交通大學土木工程學院副教授（通信作者），主要從事結構工程研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）23-0009-04 ［收稿日期］ 2023-01-31

引言

ANSYS軟件是融結構、流體、電磁場、聲場和熱場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛應用于各類工程的分析和科學研究。1970年，Dr. John Swanson成立了Swanson Analysis System Inc.，后來重組后改稱 ANSYS公司［1］。近年來，ANSYS 軟件發展迅速，成為集建模求解能力、非線性分析能力、網格劃分及優化能力、耦合分析能力為一體的有限元分析軟件。此外，ANSYS中通過命令流輸入的方式修改簡單、便于交流和傳輸，并支持循環等控制語句，深受廣大學生、教師、科研工作者的喜愛。

土木工程專業課程包含專業基礎課和專業核心課兩大類課程，專業基礎課主要由“土木工程制圖”“鋼筋混凝土設計原理”“鋼結構設計原理”和“結構力學”等課程組成；專業核心課程又分線路、橋梁、地下、建筑、巖土、道路等方向。由于土木工程專業學生大多進入項目從事相關工作，要求學生在畢業時具備良好的工程知識和問題分析能力，并且能夠和團隊完成工程設計解決方案。因此，如何實現土木工程專業課程教學模式從學生被動學習到主動學習的轉變，培養學生積極主動探討工程問題的興趣顯得至關重要。利用ANSYS輔助土木工程專業課程的教學工作，能使學生直觀了解復雜結構，認識抽象的工程術語，還能夠借助云圖、動畫等將分析結果更形象地展示在學生面前。

一、ANSYS在專業課程教學應用的現狀

目前ANSYS已經成為眾多高校工程類畢業設計、研究生畢業論文的重要選擇，但在本科的專業課程教育中鮮有涉及。在此基礎上，如果能將ANSYS融入工程類本科生的教學中，可以改變現在本科教學中“多媒體+黑板”的教師單向教學模式，通過讓學生在課堂及課下時間結合ANSYS學習專業課程，能夠培養學生的學習興趣并逐漸從“被動學習模式”轉變為“主動學習模式”，從而提高教學質量，提升學生的土木工程專業素養和工程問題解決能力。同時，ANSYS作為大型一體化的有限元分析軟件，對于初學者而言學習具有一定難度，不僅需要初學者具備扎實的力學理論基礎和工程模型構建能力，更需要初學者在使用ANSYS分析工程問題時不斷總結分析。因此，利用ANSYS輔助土木工程專業課程的學習，能夠讓學生在本科理論課程的學習過程中，提升自己對ANSYS各個命令的理解，鍛煉自己ANSYS的操作能力，以減少在后續深入使用ANSYS中遇到報錯或警告時不知如何解決的困境。

近年來，利用ANSYS輔助理解材料力學中拉伸、扭轉、彎曲等問題的相關教學實踐論文和應用ANSYS解決鋼結構軸心壓桿穩定性問題的相關教學實踐論文已有報道［2-3］。在本科教學以及科研工作中筆者發現，ANSYS能對土木工程許多專業課程中的問題進行分析和求解，并且通過ANSYS導出的動畫和云圖能夠幫助學生更直觀地理解眾多專業術語和工程現象。因此，筆者認為，在土木工程專業課程的教學中引用ANSYS輔助教學，一方面是本科課堂教學改革的一種有效途徑，能夠有效提升課堂質量；另一方面，在本科專業課程的學習中接觸并學習ANSYS能夠為土木工程本科學生打好科研基礎。因此，本文就ANSYS輔助土木工程專業課程教學中平面桁架問題、影響線的繪制、結構溫度變化分析進行了探討。

二、ANSYS在平面桁架問題中的應用

平面桁架問題是結構力學中的重要內容之一，其由桿件組成，整體主要承受彎矩而桿件主要承受軸力。雖然實際工程中的桁架因其結點剛性、桿件內部缺陷、軸線偏心、荷載不作用在節點上等問題，幾乎都并非“理想桁架”。但為簡化計算，目前在平面桁架的分析和計算中通常引用以下假定［4］：（1）各節點都是無摩擦的理想鉸。（2）各桿軸都是直線，并在同一平面內通過鉸的中心。（3）荷載只作用在結點上并在桁架的平面內。

在結構力學中，對于平面桁架結構通常采用結點法或截面法進行分析。結點法即在分析桁架各桿內力時，每次選取一個結點作為隔離體進行研究，若隔離體不止一個結點即可視為截面法。在對斜桿的分析中，往往采用比例關系對斜桿內力進行分解，如下式所示。

而對于復雜平面桁架問題，往往首先通過零桿判別簡化桁架，由于零桿判別需要學生確定不受力結點，并分結點上桿件數目及是否共線等情況具體討論，學生常常出現誤判，久而久之部分學生甚至選擇不簡化桁架而直接進行分析。再如，部分學生在學習過程中不清楚結點法和截面法分別更適合哪類問題的分析，不從問題出發而一味盲目采用一種分析方法，導致分析過程極其煩瑣并容易出錯。筆者認為，學生在學習平面桁架時遇到的諸上種種問題，大多由于學生對桁架結構理解不夠透徹或學生在學習過程中一直處于被動接受的狀態。

在ANSYS中，平面桁架問題大多采用2D的LINK單元模擬，該單元只承受桿軸向的拉壓，不承受彎矩，且節點只有平動自由度。特別的，對于LINK1單元必須對每根線劃分1單元，且劃分網格。對于有斜向荷載的加載方法，可通過將斜向荷載分解到節點坐標系方向，也可以旋轉整個坐標系直接加載，可以采用“NROTAT”命令或“NMODIF”命令實現，對于斜向支撐，同樣可以使用上述方法解決。對于ANSYS線單元的內力，一般采用單元表來進行操作，單元應力單元表常用AXST表示，單元軸力單元表常用AXFOR表示。在后處理進行圖形顯示時，可采用線性化圖或云圖兩種方式，通常在標注結果值時，云圖能使結果更加直觀。

由此可見，通過使用ANSYS對平面桁架進行有限元分析，學生不僅能形象觀察到復雜桁架的結構，直觀理解腹桿、上下弦桿以及零桿，并且能在操作過程中深入理解桁架的工程特點（如桁架結構不會對支座產生水平推力、結構內力只有軸力沒有彎矩和剪力等），還能夠激發學生積極主動對復雜桁架問題進行分析的興趣。

三、ANSYS輔助影響線的計算和繪制

對于橋梁工程而言，由于橋梁要承受汽車、列車等移動荷載，因此必須在設計時確定最不利荷載位置并求出移動荷載作用下反力和內力的最值。為了研究移動荷載加載時反力和內力的規律，引入影響線這一概念。當繪制出某量值的影響線后，便可確定最不利荷載位置，從而求出反力和內力的最值。在結構力學中，常采用靜力法和機動法兩種方式繪制影響線，靜力法即將單位荷載置于任意位置，選定坐標系后用橫坐標x表示該單位荷載作用點的位置，根據平衡方程求出所求量值和x的函數關系表達式后繪制影響線圖形；機動法則基于理論力學中的虛位移原理，將待求量值相應的聯系去掉后使體系沿待求量值正方向發生單位位移，此時的荷載作用點的豎向位移圖即該量值的影響線。

學生在對影響線的學習過程中，常常將內力影響線和內力圖混淆。事實上，內力影響線即結構上某一截面內力隨單位移動荷載變化規律，其橫坐標代表單位移動荷載的作用位置，縱坐標代表單位移動荷載在不同位置時截面的內力值。而內力圖即實際固定荷載作用下各個截面內力分布情況，其橫坐標代表截面位置，縱坐標代表不同截面內力的值。其次，在利用影響線求量值時，由于需要分集中荷載和均布荷載等情況討論且學生對于影響線的概念仍不夠透徹，導致部分學生感到無從下手。事實上，當有若干集中荷載作用時，根據疊加原理產生的量值S如下式所示。

對于均布荷載，在區段ab內產生的量值S如下式所示。

在ANSYS中，影響線的繪制通常采用靜力法，步驟如下［5］：

1.創建幾何模型和有限元模型。

2.確定單位力作用的節點群及起始節點，并順序記錄節點號和節點坐標，以便逐點加載。

3.利用循環加載并求解，可采用定義荷載步文件求解或連續荷載步求解。

4.進入時程后處理，將節點坐標數組賦予變量，繪制軸力的影響線。

特別的，在使用ANSYS進行影響線繪制時，推薦采用命令流方法進行操作，利用“*DO”、“*ENDDO”實現循環加載，利用“*IF”語句實現條件控制。在后處理中常常使用“*DIM”命令定義數組來儲存剪力、彎矩等數據，利用循環語句進行剪力、彎矩等數據的提取，利用“*VPUT”命令將提取的數據導入變量中。采用ANSYS輔助繪制影響線，不僅能夠方便地提取數據以便后續操作，還能夠讓學生在ANSYS操作中進一步理解影響線和內力圖的區別，幫助學生形象直觀感受影響線的符號規定（支反力向上為正；軸力以拉力為正；剪力以繞隔離體順時針轉動為正；彎矩以下側受拉為正），并簡化煩瑣的計算繪圖過程，激發學生主動學習的興趣。

四、利用ANSYS進行結構溫度變化時的分析

對于靜定結構而言，溫度變化并不會引起內力，但由于材料的熱脹冷縮，結構會產生變形。若一結構內側溫度升高t2，外側溫度升高t1，對于某點K沿某方向位移計算的一般公式如下式所示。一般為簡化計算，假設溫度沿截面高度直線變化，即溫度變化時截面仍保持為平面，此時

一般而言，以升溫為正，降溫為負；軸力FN以拉力為正，壓力為負；彎矩M以t2邊受拉者為正，反之為負。

對于超靜定結構而言，由于存在約束條件，當溫度變化時引起構件的溫度變形也會受到約束，因而在結構內部產生內力。對于超靜定結構的溫度作用效應，可以利用變形協調條件，在結構力學中常用力法進行分析計算。

溫度位移計算步驟如下所示：

1.建立實際位移狀態和虛擬力狀態。

2.求出實際狀態結構的t0和?t，虛擬狀態的FN和M。

3.代入公式計算位移。

在筆者教學工作中，發現本科學生在對該部分內容進行學習的過程中，遇到溫度變化問題時，常常按照慣性思維將結構默認為超靜定結構進行分析，忘記了對于靜定結構而言溫度變化不會引起結構內力。同時，部分力學基礎不太扎實的學生容易直接將溫度變形和結構內力畫等號，雖然溫度變化會引起溫度變形，但由于靜定結構在溫度變化下產生的變形未受到約束，因此不會產生結構內力。

在ANSYS中，溫度變化可以通過體荷載的方式施加到幾何模型或有限元模型上。對于BEAM3單元，具有4個溫度施加位置，且每個節點有兩個溫度施加位置。對于單元的溫度施加通常采用“*BFE”命令，當需要輸入多于4個的溫度值時，可使用該命令的STLOC參數。對于實際問題中合攏溫度的設置，可以通過“*REF”命令設置參考溫度來實現。

通過ANSYS能夠快速準確地求解溫度變化的問題，能夠很大程度簡化學生的計算負擔，同時通過ANSYS查看溫度分布云圖和單元彎矩曲線等，能使學生形象直觀地理解溫度變化對于靜定結構和超靜定結構產生的不同效果，深入感受溫度變化、結構內力之間的關系。

結語

與其他軟件相比，由于ANSYS集成了眾多功能為一體，一定程度上也導致其學習成本較高，筆者在學習和使用ANSYS的過程中發現，如果能夠將ANSYS的學習與土木工程專業課程中的工程問題結合起來，邊學邊做，以做帶學，就可加深學生對于ANSYS底層邏輯、操作流程的理解，加強GUI操作和命令流操作的記憶。同時在不斷對ANSYS的使用過程中，學生能夠積累自己的ANSYS使用習慣，加深對ANSYS參數的理解，提升自己將復雜工程問題轉換到理論模型中的能力。

筆者認為，土木工程專業課程經過眾多優秀教師的不斷調整修改，能夠有效培養學生具備良好的專業能力和工程素養。在土木工程專業課程的學習中，學生不僅需要學習各種結構的分析方法，也需要不斷練習將具體、復雜的工程問題抽象簡化為典型結構并合理分析，除此之外還需要學生具備良好的動手能力。在土木工程專業課程中引入ANSYS輔助教學，能夠促進課堂形式多樣化、課堂內容生動化，提升課堂效率。通過課堂演示和課后作業，學生能夠在動手實踐中不斷構建自己的工程問題分析體系，同時能夠培養學生的有限元思維，為之后的深入學習打好基礎。

參考文獻

［1］王新敏.ANSYS工程結構數值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007：1.

［2］周曉敏，孫政.將ANSYS引入材料力學課堂的教學實踐［J］.力學與實踐，2019，41（2）：222-226.

［3］李賢，丁北斗，張營營.鋼結構軸心壓桿穩定性教學中ANSYS軟件的應用［J］.高等建筑教育，2016，25（2）：162-166.

［4］李廉錕.結構力學：上冊［M］.6版.北京：高等教育出版社，2017：68.

［5］張高揚.利用ANSYS繪制單跨靜定桁架影響線的方法［J］.機械管理開發，2012（5）：132.

Consideration of ANSYS Aided Civil Engineering Teaching

YU Zhi-xiang， LIU Nan-feng， ZHANG Ming，

（School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu， Sichuan 610031， China）

Abstract： The civil engineering professional course covers a wide range and has a high degree of professionalism. Its main content is divided into two categories ： professional basic courses and professional core courses. It involves many professional terms and has a strong correlation between the previous and subsequent courses. Students are required to abstract specific engineering problems into typical engineering models for analysis and calculation. ANSYS is a finite element analysis software that integrates modeling and solving ability， nonlinear analysis ability， meshing and optimization ability， and coupling analysis ability. It is widely used in civil engineering. In the course of civil engineering specialty， ANSYS is used to assist in the analysis of engineering problems， which can make the abstract model intuitive， the complex information orderly， the analysis results visualized， and can improve students’ interest in learning and independent practical ability.

Key words： ANSYS; civil engineering professional courses; course teaching