橋梁工程專業(yè)“工程軟件與應(yīng)用”課程教學(xué)探討

董創(chuàng)文+陳得良

摘要：針對某獨(dú)立學(xué)院橋梁工程專業(yè)“5+1+2”人才培養(yǎng)模式下學(xué)生的現(xiàn)狀，對選修課“工程軟件與應(yīng)用”的課程教學(xué)進(jìn)行探討。分析先修課程、并行課程，比較現(xiàn)有常用軟件，確定課程教學(xué)的工程軟件為ANSYS;以桁架、梁、板為基本對象，以靜力、穩(wěn)定性為主要知識點，以經(jīng)典ANSYS算例及工程實例為載體，結(jié)合講課、上機(jī)與課外習(xí)題，通過學(xué)生自學(xué)、老師答疑、老師提問的形式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動力，實現(xiàn)學(xué)生理論水平、應(yīng)用能力、自學(xué)能力的提高。

關(guān)鍵詞：工程軟件;ANSYS;工程實例;自學(xué)能力

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）22-0150-02

近年來，在我國交通土建大發(fā)展的環(huán)境下，某獨(dú)立學(xué)院堅持“全面發(fā)展，突出專長，強(qiáng)化實踐，著重應(yīng)用”的人才培養(yǎng)目標(biāo)，實施“5+1+2”的人才培養(yǎng)模式[1]，扎實培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)素質(zhì)和實踐能力，努力造就適應(yīng)21世紀(jì)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才和管理人才。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，學(xué)院鼓勵學(xué)生了解工程、進(jìn)入現(xiàn)場、理論聯(lián)系實踐，推薦學(xué)生選修與工程緊密相關(guān)的《工程軟件與應(yīng)用》課程。

一、課程簡介

“工程軟件及應(yīng)用”是一門理論與實踐相結(jié)合的應(yīng)用型專業(yè)課，課程教學(xué)目的為：通過對一種大型通用有限元工程軟件的系統(tǒng)學(xué)習(xí)與了解，達(dá)到使學(xué)生能夠利用本軟件獨(dú)立的解決實際工程中的力學(xué)問題，并對相關(guān)的力學(xué)知識作更深入的鞏固。通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)熟練掌握該軟件的使用方法，并能運(yùn)用該軟件解決相關(guān)的橋梁力學(xué)分析。

根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計劃，“工程軟件及應(yīng)用”設(shè)置在第六學(xué)期，為選修課。課程總學(xué)時24，其中講課10，上機(jī)14;分12周，每周2學(xué)時。

二、學(xué)習(xí)現(xiàn)狀分析

根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)計劃，“工程軟件及應(yīng)用”先修的相關(guān)課程主要有：大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)、Fortran語言、理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、畫法幾何與土木工程制圖、土木工程概論、建筑材料、土力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、鋼結(jié)構(gòu)基本原理等;并行的相關(guān)課程為橋梁工程、橋梁電算、橋梁施工、專業(yè)英語等。

受限于課程設(shè)置，理應(yīng)先修的計算力學(xué)課程沒有開設(shè)，學(xué)生的有限元概念和理論有所欠缺;理應(yīng)先修的橋梁工程、橋梁施工、專業(yè)英語等課程同期開設(shè)，學(xué)生的橋梁專業(yè)知識還沒有完全建立，專業(yè)英語水平較差。因此，在學(xué)習(xí)本課程的時候，學(xué)生將會面臨基礎(chǔ)較弱、難度較大的問題。

三、教學(xué)設(shè)計

1.工程軟件的選擇。目前，我國橋梁工程最常用的大型通用有限元軟件工程軟件有ANSYS和MIDAS。

ANSYS由目前世界上最大的有限元分析軟件公司——美國ANSYS公司開發(fā)，該公司成立于1970年，創(chuàng)始人為美國著名力學(xué)專家John Swanson博士[2]。該軟件主要包括三個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。軟件提供了超過100種的單元類型和用戶自定義單元接口，提供了參數(shù)化設(shè)計語言APDL（ANSYS Parametric Design Language），可以滿足工程各種要求，廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域[3]。

MIDAS于1989年由韓國POSCO集團(tuán)開始開發(fā)。MIDAS/Civil是針對土木結(jié)構(gòu)，特別是分析象預(yù)應(yīng)力箱型橋梁、懸索橋、斜拉橋等特殊的橋梁結(jié)構(gòu)形式，可以做非線性邊界分析、水化熱分析、材料非線性分析、靜力彈塑性分析、動力彈塑性分析，能夠迅速、準(zhǔn)確地完成類似結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計[4]。

考慮到ANSYS發(fā)展時間更久，其理論基礎(chǔ)、工程驗證、幫助文件等更加完善，其參數(shù)化設(shè)計APDL語言便于編程且基于先修課程Fortran語言，較適合初學(xué)者學(xué)習(xí)，故本課程確定其作為主修軟件。

2.難點對策。針對學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，采取以下對策。（1）回顧矩陣位移法，引入有限元。所設(shè)先修課程中，僅有結(jié)構(gòu)力學(xué)的“矩陣位移法”與有限元有共同的總體思路和類似的做法，故第一節(jié)課重點介紹矩陣位移法的總體思路“化整為零—集零為整”，介紹節(jié)點、單元、節(jié)點力、節(jié)點位移、邊界條件、剛度、剛度矩陣等基本概念，介紹一道簡單且經(jīng)典的算例的做法，以便建立已有知識和本課程的橋梁。（2）結(jié)合親身經(jīng)歷，介紹ANSYS在橋梁工程中應(yīng)用。作者自參加工作以來，已參與近十座橋梁的施工監(jiān)控。在第二節(jié)課中，選取幾座典型橋梁：自錨式懸索橋——佛山平勝大橋、地錨式懸索橋——湖南張家界至花垣高速公路澧水大橋、斜拉橋——浙江嘉紹大橋、鋼管混凝土拱橋——湖南張家界至花垣高速公路猛洞河大橋、鋼混組合體系拱橋——長沙市福元路湘江大橋主橋、鋼混組合連續(xù)梁橋——長沙市福元路湘江大橋引橋，結(jié)合實橋圖片，重點介紹各橋設(shè)計概況、施工過程、有限元模型及關(guān)鍵結(jié)果，擴(kuò)充學(xué)生的橋梁視野，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)ANSYS的興趣。（3）選擇經(jīng)典專題，融合力學(xué)原理與ANSYS操作。從理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)入手，根據(jù)結(jié)構(gòu)類型和問題性質(zhì)，選擇四個專題：平面桁架靜力、平面梁靜力、平面應(yīng)力板靜力、桿系穩(wěn)定。每個專題均以經(jīng)典算例為主線展開，ANSYS經(jīng)典算例選擇其幫助文件自帶的VM1、VM2、VM3、VM4、VM21、VM34、VM127、結(jié)構(gòu)教學(xué)算例等;橋梁工程典型算如鐵路桁架橋、頂推連續(xù)梁、臨時墩、主梁懸臂施工的掛籃系統(tǒng)、塔柱施工的爬模系統(tǒng)等。以ANSYS經(jīng)典算例為基礎(chǔ)，結(jié)合實際橋梁工程，將力學(xué)原理與ANSYS軟件操作方法融于一體，由淺入深，循序漸進(jìn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)ANSYS的動力。（4）針對軟件操作，介紹對應(yīng)中文。目前，ANSYS均為英文版本，其界面、按鈕、幫助文件等均為英文。講解ANSYS操作時，針對常用的英文或英文縮寫，著重介紹其中文意義并適當(dāng)擴(kuò)展;同時讓學(xué)生同步操作、親身體驗，以便減少學(xué)習(xí)的語言障礙。

3.基本教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，結(jié)合ANSYS特點，確定本課程知識單元、知識點及學(xué)時分配，見表1。

4.考核方式。本課程考核分為兩部分：知識考核和能力考核。知識考核占總成績的60%，主要采用上機(jī)考試的方式評定。能力考核占總成績的40%，主要根據(jù)學(xué)生提問、老師質(zhì)疑、師生互動、課外大作業(yè)等評定。

上機(jī)考試時，設(shè)置三道題：平面桁架、平面梁、桿系穩(wěn)定各一道。考題均由平時練習(xí)題的稍加變化而得，其變化或為幾何參數(shù)，或為材料參數(shù)，或為荷載參數(shù)。

四、教學(xué)特點

1.以上機(jī)為主，以課堂講授為輔。該課程重點在于鍛煉學(xué)生的動手操作能力，故課時安排上，7/12的課時安排在機(jī)房上機(jī)。上機(jī)時，要求學(xué)生反復(fù)練習(xí)基本算例，直至熟練。上機(jī)結(jié)束時，要求學(xué)生將課堂練習(xí)成果存盤并以電子郵件的方式發(fā)送到老師郵箱，老師回復(fù)郵件作為批改。

2.鼓勵學(xué)生問答。講授課堂中，每節(jié)課至少提問2～3次，考查學(xué)生對基本概念的理解。上機(jī)課中，老師不停巡視，鼓勵學(xué)生提問，老師當(dāng)場答疑，手把手指導(dǎo);同時針對學(xué)生正在進(jìn)行的操作提問，當(dāng)場評述回答。

3.設(shè)置課外學(xué)習(xí)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生自學(xué)能力。從表1可見，本課程設(shè)置的課外學(xué)時18，平均每周1.5學(xué)時，其重點內(nèi)容為知識點的鞏固和擴(kuò)充。老師給出課外內(nèi)容的綱要，具體內(nèi)容由學(xué)生自主確定、自學(xué)完成，通過課堂答問和作業(yè)的質(zhì)量體現(xiàn)其效果。

4.布置靈活的課外大作業(yè)。本課程布置一道課外大作業(yè)：如圖1所示，帶懸臂的等截面簡支梁ABCD，僅考慮自重，求使梁端轉(zhuǎn)角為零的a/L;要求成果有理論推導(dǎo)、模型CAD圖、命令流、結(jié)果、總結(jié)或體會。該題源于頂推平臺上帶拼鋼箱梁節(jié)段的無應(yīng)力拼接狀態(tài)，可綜合考察力學(xué)推導(dǎo)、CAD作圖、ANSYS交互式操作、APDL參數(shù)化命令等。

五、教學(xué)效果

通過教學(xué)設(shè)計和實踐，學(xué)生對ANSYS興趣濃厚，在講課課堂上能積極主動地思考和回答，在上機(jī)課能積極地動手、提問，在課外能對自動查閱參考資料完成課外自學(xué)內(nèi)容;部分同學(xué)則更為深入，與教師探討并提出解決問題的多種途徑。最后，全部學(xué)生都能夠在規(guī)定時間內(nèi)完成上機(jī)考題;上交的課外大作業(yè)中，思路靈活，結(jié)果正確。

總之，通過24學(xué)時的互動，學(xué)生們在有限元理論水平、ANSYS應(yīng)用能力、綜合分析能力和自學(xué)能力等方面有所提高，對ANSYS已入門。endprint