仿真技術(shù)在“橋梁工程”課程設(shè)計的實踐

周德 王寧波 溫偉斌

[摘 要] “橋梁工程”是一門實踐性很強的課程，針對其教學(xué)難以進行大型工程實驗的問題，引入Midas Civil有限元軟件，以某大型復(fù)雜懸索橋為例，通過對其施工全過程的力學(xué)仿真分析，實現(xiàn)橋梁從建造到運營全過程的可視化分析，從不同角度展現(xiàn)橋梁的建造過程及其受力特點，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決工程實際問題的綜合能力。通過Midas仿真技術(shù)在“橋梁工程”課程設(shè)計中的作用及實踐，支撐學(xué)生多層次實驗和創(chuàng)新實踐，滿足學(xué)生多樣化需求，實現(xiàn)“教” “學(xué)”“用”三者協(xié)同并進。

[關(guān)鍵詞] 橋梁工程;MIDAS;課程設(shè)計

[基金項目] 2020年度中南大學(xué)深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革研究項目“基于‘結(jié)合教師科研課題’理念的工程力學(xué)創(chuàng)新教育改革研究”（2020CG039）;2020年度中南大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目“基于可視化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和以學(xué)生為中心的混合式工程力學(xué)課程教學(xué)研究”（2020jy060-8）

[作者簡介] 周 德（1980—），男，江西萍鄉(xiāng)人，博士，中南大學(xué)土木工程學(xué)院講師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)理論及應(yīng)用研究;王寧波 （1982—），男，湖北天門人，博士，中南大學(xué)土木工程學(xué)院副教授（通信作者），主要從事橋梁結(jié)構(gòu)理論及應(yīng)用研究。

[中圖分類號] G642? ?[文獻標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）47-0054-04? ? [收稿日期] 2021-08-06

“橋梁工程”是土木與交通工程專業(yè)的一門重要核心課程。在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，雖然師生能夠面對面教學(xué)，但在板書中常以二維視角來展現(xiàn)三維模型，存在不夠直觀、形象、生動的缺點，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加了學(xué)習(xí)難度。加上實際授課中側(cè)重于概念理解而缺少實際操作，學(xué)生掌握程度差的現(xiàn)象普遍存在，理論與實際難以結(jié)合[1]。筆者結(jié)合中南大學(xué)土木工程專業(yè)本科生課程“結(jié)構(gòu)分析軟件應(yīng)用”教學(xué)，將Midas數(shù)值仿真技術(shù)融于教學(xué)活動中，解決了橋梁工程教學(xué)難以開展大型工程實驗的問題。

一、Midas Civil簡介

Midas Civil是橋梁領(lǐng)域通用結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計系統(tǒng)，它具有直觀的操作界面，并且采用了尖端的計算機顯示技術(shù)。Midas Civil集成了靜力分析、動力分析、幾何非線性分析、屈曲分析、移動荷載分析、懸索橋分析等分析設(shè)計功能。該軟件具有強大的前后處理功能，特別適合求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)仿真分析問題，在橋梁結(jié)構(gòu)的模擬中應(yīng)用非常廣泛，具有很好的適用性[2-4]。

Midas Civil軟件單元類型包括梁單元、桁架單元、板單元、實體單元和只受壓或只受拉單元、索單元、平面應(yīng)力單元、平面應(yīng)變單元、非線性連接單元等，幾乎涵蓋了結(jié)構(gòu)分析時所有的單元類型。該軟件能將抽象的邊界條件、荷載作用等轉(zhuǎn)化為直觀的三維圖形。通過分析計算，將結(jié)構(gòu)彎矩、剪力、軸力、位移、變形及應(yīng)力狀態(tài)以云圖、等值線圖及動畫等形式形象地表現(xiàn)出來，能幫助學(xué)生直觀地認(rèn)識復(fù)雜橋梁工程的力學(xué)行為及其變化規(guī)律，牢固掌握相關(guān)知識點，提升學(xué)生分析問題和解決實際工程問題的能力[5]。

二、Midas Civil軟件在“橋梁工程”課程設(shè)計中的價值

近年來，Midas Civil軟件在土木工程領(lǐng)域得到越來越廣泛的重視和應(yīng)用，理論與技術(shù)日趨成熟。該軟件能夠靈活展現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的特征，在教學(xué)中引入Midas Civil模型，通過直觀印象使學(xué)生更好地理解抽象概念和實際結(jié)構(gòu)，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)效果。在“橋梁工程”教學(xué)中，由于數(shù)據(jù)量大，關(guān)聯(lián)性強，運用Midas Civil軟件進行計算，既能提高準(zhǔn)確度，還能節(jié)省人工手算的時間和精力，并且能夠靈活控制各種參數(shù)的修改。教師可以對教學(xué)重點進行突出講解，讓學(xué)生對整個知識體系有更好的理解。避免了上課只有教師講，學(xué)生埋頭聽的現(xiàn)象。通過交流與探討，將結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)課知識點和橋梁工程串聯(lián)起來，構(gòu)成學(xué)生自己的知識庫，增強學(xué)生對知識綜合利用的能力。

三、Midas Civil軟件中橋梁仿真分析流程

圖1為Midas Civil軟件中橋梁仿真分析流程。利用Midas Civil創(chuàng)建橋梁結(jié)構(gòu)模型，定義結(jié)構(gòu)剛度、邊界條件和施加荷載。通過將橋梁結(jié)構(gòu)離散化，用有限個單元來表示復(fù)雜的對象，單元之間通過節(jié)點相互連接，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解，即可進行對變形、反力、內(nèi)力和應(yīng)力結(jié)果的分析。

四、案例分析

（一）工程概況

如圖2所示，某獨塔自錨式懸索橋全長368.4米，主跨布置為2×150米，橋面寬40米，采用半漂浮體系。纜索為雙跨雙索面線形，理論跨徑140.635米，矢跨比為1/12。索塔高67米，采用異型雙柱式鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，壁厚1.2米。索塔基礎(chǔ)采用矩形承臺，長×寬×高分別為25.6米×15.6米×6米。全橋設(shè)15對吊索，吊索順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為8米，均采用高強度鍍鋅平行鋼絲。

（二）仿真模型

采用有限元分析軟件Midas Civil 2020建立該橋空間仿真模型。建模時，索塔和加勁梁均采用梁單元模擬，纜索、吊索均采用只受拉索單元模擬，混凝土板和鋼板采用空間板單元模擬，通過調(diào)整纜索和吊索力確定合理成橋狀態(tài)，邊界條件按實際情況施加。全橋空間有限元仿真模型如圖3所示。

（三）結(jié)果查看

結(jié)果查看是檢驗仿真分析正確與否的重要手段。對結(jié)構(gòu)進行分析計算，即按照現(xiàn)行的規(guī)范，對各種荷載進行組合并進行分析，導(dǎo)出計算成果。此過程有利于促進學(xué)生之間的檢驗和互動，完善過程，完成對結(jié)果精度與計算效率的評判，可以得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移圖形與表格（如圖4所示），并且根據(jù)各種驗算結(jié)果判斷是否通過設(shè)計規(guī)范，其教學(xué)目的是使學(xué)生的實踐能力由基本操作技能向?qū)嶋H應(yīng)用能力轉(zhuǎn)變。

五、對Midas Civil軟件在“橋梁工程”課程設(shè)計中的進一步思考

（一）以整體提升為目標(biāo)的分組教學(xué)方式

教學(xué)初期，通過課堂考察，可基本確定學(xué)習(xí)和操作能力較強的學(xué)生，作為后續(xù)分組擔(dān)任小組長人選。教師講解后，注意大部分學(xué)生是否能聽懂并完成操作，再分組練習(xí)，教師來回輔導(dǎo)，同時要求各小組長注意本小組情況，特別要注意進度較慢學(xué)生的練習(xí)情況并給予指導(dǎo)。在教學(xué)過程中，布置一些學(xué)生容易混淆的知識點，讓學(xué)生在組內(nèi)進行討論。在討論過程中，促使學(xué)生主動思考、主動學(xué)習(xí)，集體形成結(jié)論。各組指派代表講解，教師作點評。通過學(xué)生互相學(xué)習(xí)，達(dá)到共同提升的目的，提高課堂的效率。

（二）包容的教材選擇與開放的教學(xué)反饋相結(jié)合

有關(guān)Midas Civil有限元軟件的課本多種多樣，但課程內(nèi)容和原理大同小異，學(xué)生可以根據(jù)自身情況靈活選擇教材。將開放式和互動式的教學(xué)方式相結(jié)合，教學(xué)內(nèi)容以學(xué)生為中心，課下開設(shè)不同內(nèi)容的答疑專區(qū)。對學(xué)生難以理解的知識點進行集中答疑和講解。充分調(diào)動學(xué)生的積極性，對提出和解答有價值問題的學(xué)生施行學(xué)習(xí)獎勵制度，推行學(xué)習(xí)積分制。設(shè)置提問和回答達(dá)人專區(qū)，設(shè)置獎勵內(nèi)容，當(dāng)積分達(dá)到一定程度可以獲得專業(yè)書本獎勵或者其他加分獎勵等。這樣既能使教師在不增加工作量的前提下兼顧每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，又能使一些問題可在學(xué)生內(nèi)部得到解決而減輕教師的工作量。這樣的過程非常有利于提高學(xué)生的參與度和組織感，增強綜合能力，由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。

（三）基于多交叉學(xué)科的多媒體教學(xué)手段

采用Midas Civil有限元軟件對橋梁工程的仿真分析，由于涉及數(shù)學(xué)、力學(xué)、專業(yè)基礎(chǔ)和計算機等諸多知識;因此，在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，更加重視以多媒體輔助的教學(xué)方式，有效發(fā)揮多交叉學(xué)科課程的教學(xué)優(yōu)勢。對學(xué)生來說，在提高學(xué)習(xí)興趣的同時，能對枯燥的公式推導(dǎo)及規(guī)范條文的理解有更為直觀、更為生動的認(rèn)識，不僅知其然而且能夠知其所以然，實現(xiàn)知識點突破，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

（四）理論聯(lián)系實際，任務(wù)驅(qū)動教學(xué)

“橋梁工程”是一門實踐性較強的課程，應(yīng)當(dāng)與工程實踐問題結(jié)合起來。針對有限元算法求解的復(fù)雜性，教學(xué)過程結(jié)合大量的設(shè)計案例來進行。以工程實際問題為抓手，以任務(wù)驅(qū)動教學(xué)，在使用軟件進行設(shè)計的過程中，涉及的專業(yè)知識和軟件知識是很多的，如何將這些知識貫穿在教學(xué)中是組織課內(nèi)教學(xué)的關(guān)鍵。通過完成幾個典型的設(shè)計任務(wù)，學(xué)生既了解了流程，又溫習(xí)了所學(xué)的專業(yè)知識，有了設(shè)計的成果，學(xué)生也有了成就感，學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)得到了鍛煉，積極性也得到提高。同時，課外還鼓勵學(xué)生參加以實際工程為依托的“有限元仿真分析”大賽，并應(yīng)用于工程實踐中。課程設(shè)計注重實際建模作業(yè)，考查學(xué)生對知識的理解和吸收。模型建立后，學(xué)生可以上傳模型至交流區(qū)進行相互比較、相互批改、取長補短，最后由教師點評并提出建議。

六、結(jié)語

綜上所述，Midas軟件在“橋梁工程”課程設(shè)計中的應(yīng)用，將有限元軟件應(yīng)用到建模計算中去，可以生動、形象地將橋梁工程中大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能直觀地顯示出來，與傳統(tǒng)的手算方式相結(jié)合，提高授課過程中學(xué)生對知識的吸收程度。通過將橋梁工程的力學(xué)行為和受力機理直觀地描述出來，幫助學(xué)生更好地理解復(fù)雜結(jié)構(gòu)荷載作用，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。同時，也減少了實驗儀器設(shè)備、實驗耗材相關(guān)費用，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)效果更為理想。

參考文獻

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