土木工程實驗教學(xué)的虛擬仿真平臺設(shè)計

郭恒寧, 賀志啟, 劉 艷, 宗周紅

(東南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 江蘇 南京 211189)

土木工程專業(yè)的許多結(jié)構(gòu)試驗具有破壞性強、耗費高、相對危險等特點。東南大學(xué)土木工程專業(yè)的大二、大三學(xué)生(每屆約300多人)都會在實驗室參加實體結(jié)構(gòu)模型的專業(yè)實驗。為了驗證混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論,一般需要對鋼筋混凝土實體構(gòu)件進行破壞性試驗,因而試驗成本比較高。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和數(shù)值仿真技術(shù)的應(yīng)用,混凝土構(gòu)件的試驗可以利用仿真實驗教學(xué)軟件完成[1-3]。

1 虛擬仿真實驗的特點和優(yōu)勢

虛擬仿真實驗是將常規(guī)實體結(jié)構(gòu)實驗用計算機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和軟件等進行模擬、設(shè)計和數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)過程,具有以下優(yōu)勢：

(1) 改變以往被動參與實驗過程的狀況,培養(yǎng)學(xué)生自己動手建立和設(shè)計仿真模型并進行模擬數(shù)據(jù)采集的能力,加深對實驗過程和狀態(tài)變化的理論認識；

(2) 減少大型實驗構(gòu)件材料的消耗,減少儀器、設(shè)備的占用時間；

(3) 學(xué)生可主動設(shè)計仿真結(jié)構(gòu)實驗?zāi)Ｐ?可改進設(shè)計和反復(fù)實驗而不必擔(dān)心實驗成本問題,因而大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,可更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和創(chuàng)新實踐能力[4]。

LabVIEW是美國國家儀器公司(NI)推出的軟件平臺,是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境,是標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW目前已在電子、儀器等專業(yè)的大學(xué)生實驗教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用,顯示出強大的虛擬仿真實驗?zāi)芰?。在土木工程領(lǐng)域,LabVIEW已在一些大型工程的健康監(jiān)測系統(tǒng)中(例如大型橋梁工程、FAST巨型望遠鏡工程)得到了應(yīng)用,但在高校的土木工程結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)中的研究和應(yīng)用還有待于進一步開發(fā)[5-8]。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建

首先,設(shè)想通過虛擬仿真軟件LabVIEW和以往的實驗數(shù)據(jù),搭建土木工程結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)實驗平臺,并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和理論公式對實驗過程、實驗數(shù)據(jù)進行分析處理,畫出相關(guān)曲線,得出實驗結(jié)果以驗證理論課程的相關(guān)內(nèi)容,由此逐步建立一個較完善的虛擬仿真實驗平臺,以滿足“工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”中對鋼筋混凝土構(gòu)件的實驗內(nèi)容和要求。

針對本科教學(xué)的RC矩形截面梁受彎和受剪教學(xué)實驗,基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)值模擬,通過LabVIEW等軟件構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺,期望呈現(xiàn)試驗梁受力過程中力學(xué)性能的演變(包括鋼筋應(yīng)變、結(jié)構(gòu)位移、破壞形態(tài)等)。

通過虛擬仿真實驗平臺,學(xué)生既可以加深對理論知識的理解,又可以仿真實際的混凝土結(jié)構(gòu)實驗,加強對課程概念的理解和認識過程,最終通過該仿真平臺逐步減少和替代傳統(tǒng)足尺的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗,以降低實驗費用和儀器設(shè)備資源的占用[9]。

3 仿真實驗平臺的設(shè)計

以本科生“工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”課程相關(guān)的基礎(chǔ)實驗“短期荷載下單筋矩形截面梁正截面受彎承載力實驗”和“鋼筋混凝土受彎構(gòu)件斜截面受剪承載力實驗”為背景,收集了相關(guān)的實驗內(nèi)容、實驗數(shù)據(jù)和相關(guān)資料,通過LabVIEW等軟件,初步搭建RC矩形截面梁受彎和受剪實驗的虛擬仿真實驗平臺[10]。通過該仿真實驗平臺,學(xué)生可以嘗試虛擬仿真實驗過程,采集相應(yīng)的仿真實驗數(shù)據(jù),并可通過觀看現(xiàn)場實驗過程的照片獲取更直觀的感性認識,通過軟件平臺實現(xiàn)實驗過程的內(nèi)容和操作,最終生成初步的實驗報告。

在實驗開始前,設(shè)計好鋼筋混凝土梁的截面尺寸和內(nèi)部配筋(見圖1),設(shè)計加載方案中力的分布和作用點的位置(見圖2),完成受彎構(gòu)件實驗的前期準備。

圖1 混凝土梁的配筋設(shè)計

圖2 混凝土梁的加載方案

然后在軟件中改變荷載的大小,分別獲取構(gòu)件中的鋼筋應(yīng)力、混凝土梁的表面變形及跨中撓度變化等重要參數(shù)的數(shù)據(jù),并對實驗數(shù)據(jù)進行分析和處理,畫出相應(yīng)的曲線。

在主程序中,學(xué)生可以完成對實驗梁施加荷載,記錄鋼筋應(yīng)力、跨中撓度、混凝土表面應(yīng)變等相關(guān)實驗數(shù)據(jù),并畫出荷載應(yīng)力曲線、荷載撓度曲線及應(yīng)力應(yīng)變曲線等。其中構(gòu)件跨中撓度隨荷載變化的程序框圖(見圖3)、應(yīng)力應(yīng)變隨荷載變化的框圖(見圖4)以及用實驗平臺程序畫出的鋼筋荷載應(yīng)力曲線。

圖3 構(gòu)件跨中撓度隨荷載變化的程序框圖

圖4 應(yīng)力應(yīng)變隨荷載變化的程序框圖

用實驗平臺程序畫出實驗中的鋼筋隨荷載變化的應(yīng)力曲線(見圖5),以及混凝土梁表面應(yīng)變和變形曲線(見圖6),讓學(xué)生最終完成RC簡支梁的相應(yīng)的荷載實驗過程和內(nèi)容。

圖5 實驗中鋼筋荷載應(yīng)力曲線

圖6 混凝土梁表面應(yīng)變和變形曲線

4 結(jié)語

基于LabVIEW軟件、“工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”的理論知識、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和以往實驗數(shù)據(jù)結(jié)果,搭建了“鋼筋混凝土受彎教學(xué)實驗平臺”,可以初步實現(xiàn)RC受彎混凝土梁在靜力荷載作用下的跨中撓度、鋼筋應(yīng)力、彎矩以及破壞特征等相關(guān)數(shù)據(jù)的變化過程,并可對施加的每級荷載下的相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集,處理數(shù)據(jù)并畫出相應(yīng)的曲線,初步完成“工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”實驗教學(xué)要求的相關(guān)內(nèi)容[11-12]。

“鋼筋混凝土受彎教學(xué)實驗平臺”是土木工程結(jié)構(gòu)專業(yè)的實驗共享平臺,豐富了結(jié)構(gòu)專業(yè)的多層次實驗教學(xué)模式,拓寬了學(xué)生的眼界,也提高了學(xué)生的創(chuàng)新實踐意識,為進一步構(gòu)建綜合的、多層次的、創(chuàng)新實驗教學(xué)模式打下了良好的基礎(chǔ)。