数值仿真技术在土木工程专业结构试验教学中的应用,本文是工程专业方面毕业论文提纲范文跟专业结构和数值仿真技术和土木工程类论文范文检索.
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摘 要结构试验是土木工程专业中一门实践性很强的专业技术课程,在本科教学和研究生培养工作中占有非常重要的地位.本文针对目前结构试验教学中存在的一些问题,提出将数值仿真技术应用于土木工程专业结构试验教学中,弥补常规教学和真实试验中的不足,激发学生的学习兴趣,增强学生的数值仿真分析能力,加深学生对理论知识的理解,从而取得良好的教学效果.
关键词土木工程 结构试验 数值 仿真教学
1 结构试验课程
结构试验是土木工程专业中一门实践性非常强的专业技术课程,这门课程以材料力学、结构力学、弹性力学、混凝土结构设计原理、钢结构等课程为基础,融合了机械、液压、电工学、电子学、物理学等方面的知识,是一门高度综合性的课程.土木工程结构试验对土木工程专业本科学生来说,是提高其动手能力和感性认识、激发学生的工程兴趣、培养其综合素质的重要实践环节.而对于研究生来说,结构试验是研究和发展结构工程新材料、新结构、新施工工艺以及检验结构计算分析和设计理论的重要手段,在结构工程科学研究和创新等方面起着重要作用.通过该课程加强学生对相关课程理论知识的理解和掌握,使学生学习结构试验的基本方法和常用仪器设备的使用,认识常见结构的受力特征,培养学生分析问题和解决问题的能力,为进行相关领域的科学研究以及工程技术应用打下基础[1-2].笔者在知网上检索中南林业科技大学土木工程专业截止于2017 年4 月的硕士论文,共计检索到73 篇,其中基于结构试验内容而完成的硕士论文就有34 篇,占总数的46.6%；涉及结构检测技术的硕士论文（结构监控、检测类）5篇；基于其他试验（材料试验、土工试验、道路试验等）完成的硕士论文有26 篇；工程管理以及计算分析方法类的论文有8篇.各类论文比例如图1 所示.可见试验是土木工程科学研究的基础,试验技能是研究生完成学位论文的保障,而结构试验在里面显得更为重要.
2 课程教学现状分析
目前,普通高等院校土木工程专业结构试验教学内容主要包括：结构静载试验、结构动载试验、模型试验和现场检测技术等内容.但由于受到经费限制,在全国200 多所有土木工程专业的高校中,还有不少学校没有结构实验室或无力购置大型精密的仪器设备.即使是有结构试验室的部分院校,由于结构试验的成本较高,试验从试件的制作开始到整个实验的完成需要很长的时间,限于经费和课时,部分学生不能亲自动手做实验,部分试验为演示试验,有的甚至连演示试验都做不到,远达不到土木工程结构试验教学的目的和要求.在目前高校不断扩招以及对毕业生质量严格要求的形势下,如何满足学生的试验要求,为学生提供增强实践能力的教育,确保应有的教学质量,是目前高校教学工作亟须解决的问题之一.
以中南林业科技大学为例,土木工程专业从2008 年起开设了结构试验课程,2013 年结构试验大厅建成启用,结构试验课程为16 课时.由于经费和课时的限制,仅开设了基本试验项目,与学校高素质创新型、复合型、应用型人才培养的需要还有一定差距.如钢筋混凝土简支梁的受弯破坏试验,仅能让学生进行适筋梁的破坏试验,而对于超筋梁和少筋梁破坏试验未能开设；钢筋混凝土短柱偏压破坏试验为演示试验,且仅能进行小偏心破坏试验,大偏心破坏试验未能开设.而且,由于构件的制作质量、应变片的黏贴质量、加载控制等问题,有些试验过程不是典型的破坏过程,与理论破坏过程相差较大,学生无法将理论知识与试验结果相联系,造成学生对理论知识理解的困难.目前,结构动力试验仅为土木工程专业本科生选修试验,且仅开设了较为简单的简支梁自振特性试验,这不利于学生对结构动力性能的理解,尤其是对于那些选择继续深造的学生科研能力的培养.针对上述情况,将数值仿真分析手段引入到在土木工程专业结构试验教学中,通过数值仿真准确模拟静力和动力的加载过程,让学生观察到结构在荷载作用下所产生的宏观和微观力学行为,并开发相应的多媒体教学课件,提高结构试验教学质量,解决目前土木工程结构试验课程教学所面临的困境.
3 数值仿真技术在土木工程中的应用
数值仿真分析技术的发展为上述的学生试验问题提供了一种可靠的解决方法.近年来,有限单元法在工程结构仿真分析中取得了巨大的成功,已经发展成为一种成熟可靠的结构数值仿真方法,具有非常高的仿真精度.目前,已经研制出一大批的通用有限元分析软件,如ANSYS、ABAQUS、SAP、MSC、MIDAS 等,这些软件的仿真结果可视化程度都很高,在实际的工程中均得到了广泛的应用[3].如ANSYS 软件在土木工程应用中能非常成功地模拟钢筋混凝土材料的力学行为,如陈磊等利用大型通用有限元软件ANSYS 对钢筋混凝土结构试验进行了准确模拟,证明有限元软件能够给出结构内力和变形发展的全过程,能够描述裂缝的形成和发展,以及结构的破坏过程及其形态等.其所模拟的原型为实际的结构试验,模拟的结果与实测值吻合得很好[4].再如徐亚丰、白首晏等利用ABAQUS 软件强大的分析能力,模拟各类结构试验过程,案例包括结构动力响应、温度场、破坏机理、抗震性能等,并结合试验现象进行了分析[5].因此基于现有的通用有限元软件可以仿真结构在荷载作用下的力学行为,具有很高的仿真精度,将这种数值仿真方法引入土木工程专业结构试验教学中是完全可以实现的.数值仿真分析技术不仅可以让学生观察到结构试件在加载过程中的宏观变形,而且还能观察到结构试件在加载过程中微观力学行为,如任一点任一方向上应力应变的变化及其在横截面上的应力分布,这是在实际的结构实验中无法观察到的,并且仿真过程可以重复进行,不需要任何成本.目前,由于结构动力试验的难度远大于静力试验,且设备昂贵,国内外高校土木工程结构试验课程教学均以静力试验为主.有些高校受条件限制没有开设结构动力试验课程,即使有条件的高校对于动力部分教学试验也基本停留在简单构件的动力特性测试上.但数值仿真分析技术已经能真实地模拟结构的动力响应过程,让学生更好地理解结构动力学、结构抗震性能等知识.因此数值仿真技术是对土木工程结构试验课程教学的有力补充,可以使广大学生能更形象地理解钢筋混凝土的工作原理,增加他们在力学和结构方面的修养[6].
4 教学案例———钢筋混凝土简支梁受弯破坏试验
“钢筋混凝土简支梁受弯破坏试验”是配合“混凝土结构设计原理”课程而设置的,是结构试验课程中非常重要的一个试验项目.通过试验让学生理解和掌握钢筋混凝土梁受力特征、破坏形态及试验方法.为了使学生理解不同配筋情况下梁的破坏形态,一般试验构件设计成适筋梁、少筋梁和超筋梁三种形式,如图2 所示.试验过程中需要测试试验梁在每一级荷载作用下的钢筋应变、混凝土应变沿梁高度分布、挠度、支座位移、裂缝的宽度和分布等.一般情况下试验前需要学生在老师的指导下进行试验计划、试件的设计和制作、材料强度指标的测定、试件的检查、仪器设备的标定、试验设备的安装等.
在结构试验课程中使用数值仿真技术后,学生可以试验前在老师的指导下,结合已经学过的弹性力学、有限元、结构电算等相关知识,建立试验梁的有限元模型进行荷载施加的数值仿真分析.建模时利用ANSYS 软件中的Solid65单元模拟梁体,link180 单元模拟钢筋,先建立几何模型,再划分网格,由于结构的对称性,可以建立1/2 模型模拟.为了消除应力集中影响,在支座处和加载处建立加厚单元,划分为有限元模型后在支撑线处的节点上施加位移约束,在对称面的节点上施加对称约束,如图3 所示[7].加载可以采用力和位移两种方法控制.
根据数值仿真分析的结果,学生可事先得到试验梁的开裂荷载、破坏荷载、梁的挠度- 荷载曲线、钢筋的应力应变曲线、混凝土应力应变分布、裂缝的分布等,在试验过程中可以将数值仿真分析的结果与试验结果进行对比,加深学生对于钢筋混凝土简支梁受弯受力特征的理解.同时,学生可以修改钢筋参数、混凝土参数来模拟不同材料类型的适筋梁、少筋梁、超筋梁的各种受力过程和破坏形态,通过数值仿真计算的结果直观地观测到梁的微观力学行为,这是实际试验过程中无法做到的.学生通过试验过程的数值仿真分析,也熟悉了有限元软件的操作过程,加深了一些力学知识的理解,对学生后期科研能力的培养大有裨益.
5 结语
结构试验作为土木工程专业本科教学和研究生培养过程中一门非常重要的实践课程,必须结合教学硬件、软件设备和教学方法不断完善.针对目前结构试验课程教学过程中存在的一些问题,提出将数值仿真技术应用与结构试验教学中并分析其可行性,通过教学案例的实践验证教学效果.结果表明将数值仿真技术应用于结构试验教学可以弥补常规教学和真实试验中的不足,激发学生的学习兴趣,增强学生的数值仿真分析能力,加深学生对理论知识的理解,从而取得良好的教学效果,这对于其他工科专业的类似试验教学工作也具有很好的借鉴意义.
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