在職工程碩士論文：數(shù)值仿真技術(shù)在建筑力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

 摘要：在建筑力學(xué)教學(xué)改革實踐中，引入數(shù)值仿真技術(shù)為力學(xué)教學(xué)提供多樣化的手段。通過力學(xué)授課過程中將數(shù)值仿真技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)方式相結(jié)合，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。實踐結(jié)果表明：數(shù)值仿真技術(shù)可以為學(xué)生提供理論聯(lián)系工程實踐的平臺，為從事專業(yè)工作打下基礎(chǔ)。
  關(guān)鍵詞：建筑力學(xué)；教學(xué)；數(shù)值仿真
   建筑力學(xué)是土木工程專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，在土木工程教學(xué)中的地位尤為重要。如何讓學(xué)生理解建筑結(jié)構(gòu)中的力學(xué)體系，靈活運用基礎(chǔ)知識分析結(jié)構(gòu)的組成、 受力及變形特點是當(dāng)前教學(xué)中的難點。傳統(tǒng)的教學(xué)方式主要以板書講解和力學(xué)實驗演示為主，并配以相應(yīng)的習(xí)題，這造成教學(xué)方式單一，教學(xué)內(nèi)容枯燥，學(xué)生易產(chǎn)生 視覺疲勞感，失去學(xué)習(xí)興趣，降低學(xué)習(xí)效率 。
  建筑力學(xué)包括理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)，三種力學(xué)知識點銜接密切。通過固有課時雖然能夠講 解基本原理和計算方法，但學(xué)生在工程中卻不能靈活運用所學(xué)解決實際問題，造成理論與實踐脫節(jié)，形成應(yīng)用間隙。為此，在教學(xué)過程中要不斷改革教學(xué)方法，引入 數(shù)值仿真(Numerical Simulation)技術(shù)，通過對典型建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，將結(jié)構(gòu)的受力、變形通過圖表、圖形、動畫等方式直觀地呈現(xiàn)給 學(xué)生，以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進教學(xué)進步 。
  數(shù)值仿真技術(shù)是現(xiàn)階段發(fā)展較為完整的計算力學(xué)方法，它以計算機為手段，通過對實際問題的抽象 化模型建立，結(jié)合數(shù)值計算來獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)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(xiàn)計算結(jié)果，達到對工程問題和物理問題科學(xué)研究的目的。土木 工程領(lǐng)域數(shù)值計算方法包括有限單元法、有限差分法、邊界元法和有限體積法等，以這些數(shù)值方法為基礎(chǔ)開發(fā)的數(shù)值模擬軟件主要有ANSYS、ADNIA、 SAP2000、ABAQUS、FPEG和FLAC等 。數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用對于豐富建筑力學(xué)教學(xué)手段，提高教學(xué)效果，開拓思維，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣有著積 極的作用，為學(xué)生畢業(yè)后從事工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域相關(guān)工作打下了基礎(chǔ)。
  一、數(shù)值仿真實踐應(yīng)用 
   (一)在結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)動力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)的難點，因此，在講解結(jié)構(gòu)動力分析時可引人數(shù)值仿真環(huán)節(jié)，為學(xué)生提供直觀的結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析。地震的 作用往往使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)強度破壞，因此介紹地震作用下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)以及不同場地條件下結(jié)構(gòu)的受力分析，有利于學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)動力學(xué)的實際應(yīng)用，是與當(dāng)前結(jié)構(gòu)工 程中抗震領(lǐng)域研究相結(jié)合的典范實例。
  選取土木工程中以鋼結(jié)構(gòu)為主要形式的輸電鐵塔，通過有限元分析軟件ANSYS分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、振型 特點以及最大變形量。首先，建立結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，將鐵塔簡化為桁架結(jié)構(gòu)和剛架結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。通過映射網(wǎng)格技術(shù)對模型進行網(wǎng)絡(luò)剖分，從圖1可以看出模 型與實際結(jié)構(gòu)基本相似。通過結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的時程分析法離散地震波，以瞬時荷載施加在結(jié)構(gòu)上，計算結(jié)構(gòu)的地震動力反應(yīng)，計算結(jié)果如圖2所示。數(shù)值結(jié)果通過直 觀的變形云圖顯示，學(xué)生可以了解到以鋼結(jié)構(gòu)為主要形式的輸電鐵塔在簡化為桁架體系和剛架體系時所獲得的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形的特點和區(qū)別。結(jié)構(gòu)力學(xué)中桁架和剛架 的動力反應(yīng)分析難點就可在實際工程問題中得以解決。
  (二)在材料靜力學(xué)中的應(yīng)用材料力學(xué)主要研究桿件的強度、剛度和穩(wěn)定性，其中橫力彎曲及 變形撓度是學(xué)習(xí)的難點。利用數(shù)值仿真技術(shù)，考慮典型荷載分布因素的影響，通過數(shù)值模擬可以得到簡支梁橫力彎曲時撓度的變形圖。以常見的簡支梁為例，一種是 由鋼筋和混凝土兩種材料組成的矩形截面梁；一種是工業(yè)廠房中常見的工字型鋼梁。引入這樣截面類型的梁不僅與材料力學(xué)教材中單桿彎曲變形相似，而且與工程實 際梁的變形相統(tǒng)一。這樣學(xué)生可以更好地理解專業(yè)知識，增強實用性，為今后從事結(jié)構(gòu)設(shè)計打下基礎(chǔ)。
  建立鋼筋混凝土簡支梁的計算模型并在兩端施加約束，有限元網(wǎng)格劃分和鋼筋骨架如圖3、圖4所示?；炷烈詫嶓w單元建立，受力鋼筋和周向箍筋以桿單元建立，通過靜力分析得到梁的應(yīng)力分布和撓曲線形狀。工字型鋼受力變形分析如圖5所示。
  通過改變梁的受力方式和約束形式，分別施加分布荷載和集中荷載計算梁的應(yīng)力，并將梁的變形過程以動畫形式展現(xiàn)給學(xué)生，吸引學(xué)生注意，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)自主性。
  二、教學(xué)效果檢驗 
  以調(diào)查問卷的形式，從學(xué)習(xí)興趣性、學(xué)習(xí)有效性、概念理解性和專業(yè)知識掌握程度等方面對引入數(shù)值仿真實踐環(huán)節(jié)授課效果進行檢驗，調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計分析如表所示。
   從統(tǒng)計結(jié)果看，不同年級學(xué)生對數(shù)值仿真環(huán)節(jié)的引入有不同看法。二年級學(xué)生對該環(huán)節(jié)的認(rèn)可度達到79％ ，少數(shù)學(xué)生存在異議。少數(shù)學(xué)生對材料力學(xué)在土木工 程中的作用認(rèn)識不清晰，不知道學(xué)習(xí)材料力學(xué)的目的是為了什么，如何應(yīng)用力學(xué)原理解決問題。針對此，教師在講授過程中，特別是在導(dǎo)論課中一定要結(jié)合工程實 例，從實際出發(fā)，讓學(xué)生對課程和今后將從事的工作有全局性的認(rèn)識和理解。
  三年級學(xué)生認(rèn)為該環(huán)節(jié)對學(xué)習(xí)有所幫助的比例占84．8％ ，但仍有 15．2％ 的人持不同意見。究其原因：一是部分學(xué)生畢業(yè)可能從事其他類工作，對專業(yè)課程不感興趣；二是前期基礎(chǔ)薄弱，引發(fā)后續(xù)課程脫節(jié)，學(xué)生對結(jié)構(gòu)力學(xué) 知識點不清晰，尤其是結(jié)構(gòu)動力學(xué)部分。總體而言，大部分學(xué)生對此持支持態(tài)度，特別是準(zhǔn)備考研的學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚，比例占學(xué)生總數(shù)的近5O％ 。
  這些反饋的意見為教師在授課過程中及時掌握學(xué)生動態(tài)，調(diào)整授課方案起到了積極的推動作用，有助于教師合理開展后續(xù)課程教學(xué)。
  三、教學(xué)方案修正 
   根據(jù)學(xué)生反饋信息，在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，我們適當(dāng)調(diào)整了授課方案，開展了有利于提高教學(xué)效果的教學(xué)改革，并在實踐中加以論證。將數(shù)值仿真環(huán)節(jié)和傳統(tǒng)教學(xué) 方法相融合，合理穿插工程實例，完善教學(xué)方案，實現(xiàn)授課過程中教案的動態(tài)變化，以期為良好的教學(xué)發(fā)展服務(wù)，方案各環(huán)節(jié)調(diào)整流程如圖6所示。
  四、結(jié)語 
   如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、引導(dǎo)學(xué)生自我思考，讓學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)掌握力學(xué)基本原理是專業(yè)教師長期困惑的問題。數(shù)值仿真模擬是現(xiàn)階段解開疑惑的一種好的方 法。通過數(shù)值仿真環(huán)節(jié)的引入能夠推動教學(xué)的良性發(fā)展。在今后的教學(xué)工作中，我們不僅要注重理論的創(chuàng)新更要兼顧實踐的創(chuàng)新，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)力學(xué)的同時，理解力 學(xué)在土木專業(yè)中的作用，在工程實踐中的應(yīng)用。因此，在完善教學(xué)方案的同時，通過構(gòu)建典型建筑物的結(jié)構(gòu)模型并分析其應(yīng)力與變形能更好的為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)相關(guān)專 業(yè)課程提供引導(dǎo)。
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  參考文獻： 
  [1]黃忠文，陳敏．面向應(yīng)用型人才的工程力學(xué)系列課程的教學(xué)研究[J]．教育教學(xué)論壇，2011(24)：143—145．
  [2]李麗君，許英姿．CAE軟件在力學(xué)教學(xué)與實踐中的應(yīng)用[J]．實驗技術(shù)與管理，2010，27(10)：113—115．
  [3]袁健，丁科．結(jié)合專業(yè)課程知識的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)方式探討[J]．高等建筑教育，2011，20(2)：56—58．
  [4]常旭，張悅，藺海曉，張娟霞．?dāng)?shù)值模擬技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)加固教學(xué)中的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代教育技術(shù)，2010，20(5)：l18—120．
  [5]胡留現(xiàn)，劉宗發(fā)，楊俊森．?dāng)?shù)值模擬技術(shù)在本科工程力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]．洛陽理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，19(3)：77—79．
  [6]楊勇，郭子雄．?dāng)?shù)值模擬試驗在土木工程專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]．高等建筑教育，2005，14(3)：65—67．