軌道交通工程結(jié)構(gòu)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究

[摘要]文章通過(guò)分析軌道交通工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，提出實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容要與工程實(shí)際相結(jié)合，以結(jié)構(gòu)仿真拓展專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程內(nèi)容，豐富專業(yè)知識(shí)體系。既符合實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程，又體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，有利于學(xué)生全面鞏固和掌握所學(xué)知識(shí)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力與就業(yè)能力。

[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)仿真；軌道交通工程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

[基金項(xiàng)目]上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)：J 51401

[作者簡(jiǎn)介]顏喜林，上海工程科技大學(xué)城市軌道交通學(xué)院講師，研究方向：軌道結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)，上海,201620

[中圖分類號(hào)]G424.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1007-7723(2009)09-0112-0002

一、引

言

目前軌道交通工程的大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)往往受到場(chǎng)地和設(shè)備的限制，比如軌道交通工程中振動(dòng)與噪聲課題，做模型試驗(yàn)有“失真”效應(yīng)；若要研究某一環(huán)境參數(shù)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響，需要制作多個(gè)類似構(gòu)件，而反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)則往往需要耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力和時(shí)間成本。

隨著高性能計(jì)算機(jī)的逐步普及和數(shù)值仿真軟件的不斷完善，大量?jī)?yōu)秀的數(shù)值仿真軟件如AN—SYS、ABAQUS、ALGOR和土木工程專用分析設(shè)計(jì)軟件SAP2000、ETABS、PKPM等廣泛普及，計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)研究、工程設(shè)計(jì)、施工模擬等在交通工程各領(lǐng)域運(yùn)用越來(lái)越廣泛。利用仿真試驗(yàn)可以完全模擬足尺結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，研究參數(shù)影響只需調(diào)整幾個(gè)參數(shù)的輸入，還可以考慮各種因素綜合影響。對(duì)于研究各種災(zāi)害因素對(duì)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞，長(zhǎng)期荷載作用及其車輛高速運(yùn)行作用下結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程這些真實(shí)試驗(yàn)難以模擬的情況，仿真結(jié)構(gòu)試驗(yàn)更有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

二、結(jié)構(gòu)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

隨著結(jié)構(gòu)仿真軟件飛速發(fā)展，多數(shù)設(shè)計(jì)院以及施工單位的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程是概念設(shè)計(jì)、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程軟件仿真分析、工程試驗(yàn)檢測(cè)；而在軌道交通工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，單獨(dú)為軌道工程、鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀，既不符合目前工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程，更不利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。

由此我們對(duì)實(shí)驗(yàn)課程教材、內(nèi)容進(jìn)行了一系列的改革，將混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)、軌道工程的課程設(shè)計(jì)與試驗(yàn)各合為一門課程，將軟件結(jié)構(gòu)仿真分析作為各課程的內(nèi)容；由結(jié)構(gòu)仿真驗(yàn)證原有的課程設(shè)計(jì)計(jì)算，通過(guò)實(shí)體實(shí)驗(yàn)證明原有的設(shè)計(jì)方案，既加強(qiáng)對(duì)學(xué)科知識(shí)體系的了解，又符合目前工程設(shè)計(jì)的實(shí)際流程，有利于學(xué)生的創(chuàng)新能力與就業(yè)能力的培養(yǎng)。

(一)新編創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程教材

新編寫的三本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程教材，包括混凝土結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)與試驗(yàn)檢測(cè)、鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)與試驗(yàn)檢測(cè)、軌道工程課程設(shè)計(jì)與試驗(yàn)檢測(cè)。每門課程是按照目前實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程，采用實(shí)際案例設(shè)計(jì)的流程，綜合運(yùn)用本課程知識(shí)，通過(guò)各種軟件的結(jié)構(gòu)仿真分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的工作性能、承載力作出正確評(píng)價(jià)與估計(jì)，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)試與結(jié)構(gòu)有關(guān)的各種參數(shù)，從而理解和驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論。教材的特點(diǎn)涉及知識(shí)面廣，綜合性、實(shí)踐性強(qiáng)。

(二)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容設(shè)計(jì)

根據(jù)軌道交通工程的實(shí)際，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程，通過(guò)采用結(jié)構(gòu)仿真分析軟件，構(gòu)建設(shè)計(jì)、分析、演示、驗(yàn)證的多層次的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向綜合的創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變。

1、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)檢測(cè)

課程的基本要求是學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)的理論與設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行鋼筋混凝土車站的設(shè)計(jì)，對(duì)車站進(jìn)行受力設(shè)計(jì)計(jì)算，并按比例尺圖繪制。其次，通過(guò)SAP2000、PKPM結(jié)構(gòu)仿真分析計(jì)算，從而對(duì)原有的計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)根據(jù)仿真分析計(jì)算的變形結(jié)果，設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)的模型實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方案，完成模型的工程檢測(cè)，并能根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)原有設(shè)計(jì)作出正確分析與判斷。

2、鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)檢測(cè)

課程的基本要求是學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)的理論與設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行空間鋼桁架的設(shè)計(jì)，對(duì)該桁架進(jìn)行受力計(jì)算，該桁架結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)性強(qiáng)，可拼裝成多種不同形式的空間桿系結(jié)構(gòu)。其次，通過(guò)SAF2000、PKPM結(jié)構(gòu)仿真分析，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行桿件受力計(jì)算，從而對(duì)原有的計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)根據(jù)仿真分析計(jì)算的結(jié)果，設(shè)計(jì)該桁架的模型實(shí)驗(yàn)方案，完成模型的工程檢測(cè)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與評(píng)定，優(yōu)化原來(lái)的桁架結(jié)構(gòu)，從而培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

3、軌道工程設(shè)計(jì)與試驗(yàn)檢測(cè)

課程的基本要求是學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)的理論與設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行整體道床的軌道結(jié)構(gòu)包括道岔等附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。其次，通過(guò)ABAQUS、AN-SYS結(jié)構(gòu)仿真分析計(jì)算，判斷軌道結(jié)構(gòu)的疲勞與振動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)軌道的薄弱部位和破壞特征，設(shè)計(jì)軌道鋼軌無(wú)損探傷檢測(cè)的方法和程序，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與評(píng)定，對(duì)鋼軌傷損作出正確分析與判斷，提出鋼軌的修復(fù)和加固的措施，為學(xué)生今后的實(shí)際工作打下基礎(chǔ)。

三、結(jié)構(gòu)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

交通工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)設(shè)結(jié)構(gòu)仿真實(shí)驗(yàn)室，把結(jié)構(gòu)仿真軟件的使用引入專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，改革傳統(tǒng)的教學(xué)手段，既加深對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課的興趣和主動(dòng)獲取知識(shí)的積極性，又可作為大學(xué)生創(chuàng)新的平臺(tái)，也可以作為教師的科研創(chuàng)新平臺(tái)。

(一)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)理論概念的理解

一般的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)加載過(guò)程漫長(zhǎng)，試驗(yàn)所獲得的結(jié)果往往是數(shù)據(jù)形式，因此試驗(yàn)過(guò)程比較枯燥。而結(jié)構(gòu)仿真可以實(shí)時(shí)反映試驗(yàn)的圖形結(jié)果，通過(guò)發(fā)揮計(jì)算機(jī)的友好界面，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課的興趣和主動(dòng)獲取知識(shí)的積極性。而結(jié)構(gòu)仿真則可以發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性和參與性，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)整個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)。

(二)開(kāi)設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，開(kāi)闊學(xué)生的視野

通過(guò)結(jié)構(gòu)仿真，學(xué)生可以開(kāi)展創(chuàng)新試驗(yàn)項(xiàng)目。比如對(duì)于試驗(yàn)設(shè)備不完備、使用設(shè)備精密、試驗(yàn)損耗大的試驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)仿真中，由于可以反復(fù)試驗(yàn)，參數(shù)可以自行調(diào)整，學(xué)生可以根據(jù)同一試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)不同的試驗(yàn)方案以及同一試驗(yàn)方案不同構(gòu)件材料特性，了解各參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，加深對(duì)結(jié)構(gòu)新的認(rèn)識(shí)。

(三)熟悉軟件使用，提高就業(yè)能力

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及仿真軟件飛速發(fā)展，在工程設(shè)計(jì)單位，PKPM、ETABS、SAP2000等優(yōu)秀設(shè)計(jì)軟件被廣泛使用，多數(shù)大型設(shè)計(jì)院以及大型施工單位，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及施工均要求利用數(shù)值模擬仿真軟件分析受力性能，所以作為軌道交通工程師的一種必備技能，結(jié)構(gòu)仿真分析軟件已成為當(dāng)代大學(xué)生必須掌握的一種工具。

(四)開(kāi)展科研項(xiàng)目，提高教師科研能力與教學(xué)水平

結(jié)構(gòu)仿真實(shí)驗(yàn)室作為新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為教師提供良好的教學(xué)科研條件，教師通過(guò)開(kāi)展科研項(xiàng)目，不斷提高科研能力與學(xué)術(shù)水平，才能將新成果和新技術(shù)及時(shí)、準(zhǔn)確、生動(dòng)地融合在自己的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。只有不斷提高教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，才能應(yīng)對(duì)高等教育培養(yǎng)創(chuàng)新人才的要求。

四、結(jié)語(yǔ)

交通工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的重要基地，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容要與工程實(shí)際相結(jié)合，通過(guò)結(jié)構(gòu)仿真可拓展專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間，既豐富課程體系與知識(shí)體系，又符合實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程。

在專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入結(jié)構(gòu)仿真軟件的使用，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，遵循了實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)律，有利于學(xué)生全面鞏固和掌握所學(xué)知識(shí)，調(diào)動(dòng)了主動(dòng)研究的探索精神，有利于學(xué)生的創(chuàng)新能力與就業(yè)能力的提高。

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