基于有限元分析的“結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)”課程教學(xué)改革

王英濤，饒德軍

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，廣東 佛山 528000）

引言

土木工程實(shí)踐是人才培養(yǎng)過(guò)程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力至關(guān)重要?！敖Y(jié)構(gòu)檢驗(yàn)”課程又稱(chēng)“建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”，是土木工程專(zhuān)業(yè)一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)課程，旨在讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，提升學(xué)生的動(dòng)手操作能力和基本理論認(rèn)識(shí)水平，為工程實(shí)踐和科研工作打下基礎(chǔ)。我?！敖Y(jié)構(gòu)檢驗(yàn)”課程在土木工程專(zhuān)業(yè)大三上學(xué)期開(kāi)設(shè)，共計(jì)32學(xué)時(shí)，其中理論課18學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課14學(xué)時(shí)。

我校的土木工程專(zhuān)業(yè)已通過(guò)IEET工程教育認(rèn)證，畢業(yè)要求之一是學(xué)生能根據(jù)需要選擇和使用恰當(dāng)?shù)墓こ谭治龉ぞ呋蚣夹g(shù)手段，將專(zhuān)業(yè)理論和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，并能夠?qū)Ψ治鼋Y(jié)果進(jìn)行合理判斷；但是傳統(tǒng)的教學(xué)方式存在一些問(wèn)題，很難滿(mǎn)足以上教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，本文擬在“結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)”課程教學(xué)中將有限元軟件分析工具融入具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用有限元分析方法進(jìn)行求解，以達(dá)到應(yīng)用理論知識(shí)的目的，并可激發(fā)學(xué)生的興趣，在課程教學(xué)改革中具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、“結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)”課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

“結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)”課程的開(kāi)設(shè)以開(kāi)拓學(xué)生思維、培養(yǎng)學(xué)生探索觀察習(xí)慣和獨(dú)立分析思考及解決問(wèn)題能力為目標(biāo)，但經(jīng)過(guò)近幾年的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)該課程存在以下問(wèn)題。

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)時(shí)不足

本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容一共包含七個(gè)內(nèi)容，每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為2學(xué)時(shí)，其中電阻應(yīng)變片貼片技術(shù)、電阻應(yīng)變操作測(cè)量（橋路測(cè)量）、鋼桁架非破壞實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁受彎實(shí)驗(yàn)和鋼筋混凝土柱偏心受壓實(shí)驗(yàn)均需要學(xué)生動(dòng)手操作，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力要求較高。通過(guò)教學(xué)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容多、學(xué)時(shí)不足，學(xué)生的操作相對(duì)較慢，很難滿(mǎn)足教學(xué)需要。所以在這種情況下，高質(zhì)量地完成教學(xué)任務(wù)具有一定難度，亟待進(jìn)一步通過(guò)教學(xué)改革提升教學(xué)效果。

（二）學(xué)生人數(shù)多，儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)有限

2016年之前，我校土木工程專(zhuān)業(yè)本科生每年招生不足100人，儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)能基本滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。但從2016年開(kāi)始擴(kuò)招，每年招收學(xué)生數(shù)超過(guò)200人，受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和資金的限制，很難大批量采購(gòu)儀器設(shè)備，導(dǎo)致出現(xiàn)儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足的問(wèn)題。為完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，保證教學(xué)效果，只能采取分組分批的形式開(kāi)展，造成實(shí)驗(yàn)教師的教學(xué)工作量明顯增加。

（三）學(xué)生沒(méi)有全程參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

受學(xué)生人數(shù)和場(chǎng)地限制，有些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只能演示或者讓學(xué)生部分參與，學(xué)生很難實(shí)現(xiàn)全程參與。例如，鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁受彎實(shí)驗(yàn)和鋼筋混凝土柱偏心受壓實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)構(gòu)件均為委托第三方加工完成，學(xué)生沒(méi)有參與到構(gòu)件的制作，缺乏對(duì)試件制作全過(guò)程的認(rèn)識(shí)；加載設(shè)備的安裝和調(diào)試由實(shí)驗(yàn)老師完成，學(xué)生僅參與讀數(shù)和數(shù)據(jù)記錄。同時(shí)，每組學(xué)生僅能夠完成單一構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)，不能參與多種參數(shù)構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生難以對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行全面理解，影響了實(shí)踐教學(xué)的效果。

（四）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的顯示度不足

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生僅從表面現(xiàn)象去理解理論，特別是混凝土構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能讀取個(gè)別點(diǎn)的位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)，觀測(cè)裂縫的情況。但因混凝土內(nèi)部應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力變化和截面應(yīng)力等重要信息無(wú)法顯示，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中的顯示度不足，對(duì)理論知識(shí)的全面理解帶來(lái)困難。此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程不能重復(fù)，如果要觀察前一個(gè)實(shí)驗(yàn)加載步的情況，只能再次從頭開(kāi)始。

二、有限元分析在土木工程教學(xué)中的應(yīng)用

有限元分析技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述問(wèn)題提供了一種可靠的方法。近年來(lái)，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展、分析精度和可靠性的提高，以及良好的可視化性能，有限元分析方法在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛采用。目前，常用的有限元分析軟件主要有ABAQUS、ANSYS、MIDAS等。有限元分析方法涉及“計(jì)算機(jī)分析”“數(shù)值計(jì)算”等本科生公共理論課程，又與“材料力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“混凝土結(jié)構(gòu)原理”“鋼結(jié)構(gòu)”等專(zhuān)業(yè)課程相結(jié)合，有利于學(xué)生對(duì)數(shù)值分析和專(zhuān)業(yè)知識(shí)的應(yīng)用和結(jié)合。

王家全等探討了有限元分析軟件在土木工程專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐中的整體設(shè)計(jì)理念，發(fā)現(xiàn)通過(guò)有限元分析軟件與專(zhuān)業(yè)課程的結(jié)合，有限元分析的優(yōu)勢(shì)在本科教學(xué)中能夠得以充分發(fā)揮。劉文洋等利用ABAQUS有限元分析軟件構(gòu)建了鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件分析平臺(tái)，通過(guò)典型構(gòu)件的受力分析，將分析成果與課程教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合，豐富了教學(xué)內(nèi)容。王天鵬發(fā)現(xiàn)將數(shù)值分析和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程相融合，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，取得了很好的教學(xué)效果?？梢?jiàn)，將有限元分析引入“結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)”課程中是完全可行的，且可以擺脫對(duì)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地和加載設(shè)備的依賴(lài)，能形象直觀地再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，獲得構(gòu)件的受力過(guò)程和變形形態(tài)，并可以進(jìn)一步觀察試件內(nèi)部的微觀力學(xué)行為，使學(xué)生更好地理解理論知識(shí)。

目前，我校土木工程本科專(zhuān)業(yè)尚未開(kāi)設(shè)“有限元分析”課程，學(xué)生多是利用課下時(shí)間自學(xué)有限元分析軟件的簡(jiǎn)單操作，缺乏系統(tǒng)指導(dǎo)和練習(xí)。因此，為解決上述問(wèn)題，加強(qiáng)對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，更好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的，開(kāi)展基于有限元分析技術(shù)的教學(xué)改革十分必要。

三、基于有限元分析的“結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)”課程改革措施

（一）教學(xué)內(nèi)容

在土木工程的教學(xué)過(guò)程中，有限元分析軟件ABAQUS因其前處理建模簡(jiǎn)單、易于操作，后處理可視性好，在解決固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等領(lǐng)域及實(shí)際工程問(wèn)題有明顯優(yōu)勢(shì)，所以本課程教學(xué)改革采用有限元分析軟件ABAQUS。

利用有限元軟件選取典型實(shí)驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行模擬，采用有限元軟件建模，再現(xiàn)試件的構(gòu)造方式，通過(guò)對(duì)實(shí)體模型分析計(jì)算，給出構(gòu)件相應(yīng)的位移和應(yīng)力變化，可使學(xué)生對(duì)試件的受力機(jī)制具有更深的理解認(rèn)識(shí)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、剖切等視角，來(lái)獲得不同角度和位置的受力情況，這些是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)的。

受“結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)”課時(shí)限制，不能大量占用課時(shí)時(shí)間，且僅靠學(xué)生自學(xué)難度較大，所以在課堂教學(xué)中演示簡(jiǎn)單實(shí)例，讓學(xué)生迅速掌握有限元分析建模過(guò)程，然后再開(kāi)展混凝土結(jié)構(gòu)的建模，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，讓學(xué)生更有興趣學(xué)習(xí)。此外，學(xué)生的課外時(shí)間相對(duì)較多，可以鼓勵(lì)學(xué)生在課下加強(qiáng)練習(xí)，并在課后通過(guò)微信、騰訊會(huì)議等方式對(duì)學(xué)生建模分析過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行講解討論。

在引入有限元分析后，本課程可以采用更加靈活的方式進(jìn)行考核，將有限元軟件的學(xué)習(xí)作為考核的一個(gè)內(nèi)容，形成以實(shí)驗(yàn)操作和理論教學(xué)為主、綜合考慮有限元軟件學(xué)習(xí)情況的靈活綜合考核方式。對(duì)有限元分析部分，采用大作業(yè)的形式進(jìn)行考查，占期末總評(píng)成績(jī)的20%，要求學(xué)生使用有限元模型求解分析，并對(duì)分析結(jié)果用專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行合理解釋。

（二）教學(xué)方法

有限元軟件對(duì)本科生來(lái)說(shuō)難度相對(duì)較大，大部分學(xué)生都沒(méi)有接觸過(guò)，如果過(guò)多地講解計(jì)算原理，可能會(huì)適得其反，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為此，參考實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，采用分組形式，每個(gè)小組3～5名學(xué)生，以學(xué)習(xí)小組形式開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，有利于共同解決問(wèn)題，形成濃厚的學(xué)習(xí)氛圍。

在有限元軟件教學(xué)過(guò)程中，首先通過(guò)一個(gè)桿件的穩(wěn)定性引入，讓學(xué)生快速了解有限元分析的基本建模過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；學(xué)生在掌握基本建模過(guò)程后，再進(jìn)行復(fù)雜模型的學(xué)習(xí)，并掌握有限元分析中的基本理論，能夠?qū)τ?jì)算結(jié)果的可靠性進(jìn)行判斷。針對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，主要通過(guò)線(xiàn)上答疑完成，如果是共性問(wèn)題，可采用線(xiàn)下集中答疑。

（三）教學(xué)案例

鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁承載力實(shí)驗(yàn)是“結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)”課程中十分重要的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)簡(jiǎn)支梁的正截面破壞實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)混凝土梁的正截面破壞過(guò)程及最終的破壞特征，并能夠結(jié)合實(shí)驗(yàn)，更好地掌握梁正截面設(shè)計(jì)的計(jì)算理論。實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要觀察鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面的應(yīng)變分布、裂縫出現(xiàn)及開(kāi)展情況、撓度變化及破壞特征等。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，單個(gè)小組通常僅完成單個(gè)梁的實(shí)驗(yàn)，很難完成少筋梁、適筋梁和超筋梁三種形式的實(shí)驗(yàn)。在課程中引入有限元分析后，學(xué)生可以建立鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁承載力有限元分析模型，獲取分析結(jié)果，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并可以進(jìn)一步擴(kuò)展分析參數(shù)，完成實(shí)際實(shí)驗(yàn)中難以完成的實(shí)驗(yàn)。超筋梁、適筋梁和少筋梁的配筋形式如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)梁的尺寸及配筋示意圖

采用有限元軟件ABAQUS建模時(shí)，要建立試件的幾何模型，再定義材料、組建模型、劃分網(wǎng)格、定義邊界約束。加載可以采用位移加載和力加載，若要獲得較好的荷載-位移曲線(xiàn)下降段，建議采用位移加載，并為對(duì)稱(chēng)加載。圖2為基于有限元軟件ABAQUS分析得到的超筋梁的應(yīng)力分布圖。從圖2中可以看出，在兩點(diǎn)對(duì)稱(chēng)加載下，鋼筋混凝土超筋梁的受壓應(yīng)力集中位置清晰可見(jiàn)，可以據(jù)此判斷混凝壓碎部位及應(yīng)力的傳遞路徑。圖3為適筋梁在彈性階段橫截面的應(yīng)力分布情況，形象地展示出了混凝土梁橫截面在彈性階段中和軸位置、受拉區(qū)、受壓區(qū)及應(yīng)力的分布情況，有助于學(xué)生理解平截面的假定。

圖2 超筋梁的應(yīng)力分布圖

圖3 彈性階段橫截面應(yīng)力分布

根據(jù)有限元分析結(jié)果，學(xué)生可以得到實(shí)驗(yàn)梁的荷載-位移曲線(xiàn)、開(kāi)裂荷載、破壞荷載、混凝土和鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變、裂縫的分布等，觀察梁內(nèi)部的應(yīng)力分布。同時(shí)，有限元分析能夠?qū)崟r(shí)再現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，通過(guò)有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，啟發(fā)學(xué)生思考二者結(jié)果的異同，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)“結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)”課程中鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁受彎時(shí)的受力特征和關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。此外，學(xué)生可以改變?cè)嚰膮?shù)，進(jìn)行參數(shù)化分析，得到不同參數(shù)下梁的受力過(guò)程和破壞形態(tài)，完成本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中難以完成的部分，拓展學(xué)生的視野。

總之，通過(guò)基于有限元分析軟件的課程教學(xué)改革，可以使學(xué)生熟悉有限元軟件，掌握科研方法和科研工具，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，有力地支撐教學(xué)工作開(kāi)展，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提高。

四、教學(xué)改革對(duì)人才培養(yǎng)的促進(jìn)作用

在“結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)”課程中引入有限元分析方法，能夠?qū)ν聊竟こ虒?zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)具有良好的促進(jìn)作用。一是在有限元分析的講解和展示過(guò)程中，引入已學(xué)的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)，可以讓學(xué)生對(duì)本科階段已學(xué)的課程付諸實(shí)踐，有利于激發(fā)學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的興趣，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解。二是采用分組的形式進(jìn)行學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生以小組的形式查閱資料，自行解決遇到的問(wèn)題難題，鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力并培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)。在有限元分析的教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)課堂與課外、理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，引導(dǎo)學(xué)生在把課堂時(shí)間利用好的同時(shí)，充分利用好課外時(shí)間，開(kāi)闊學(xué)生的視野、增長(zhǎng)見(jiàn)識(shí)，整體上提升學(xué)生的綜合能力。三是有限元分析的掌握，能夠?yàn)閷W(xué)生申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、參加學(xué)科競(jìng)賽及科學(xué)研究等打下技術(shù)儲(chǔ)備，更能調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和學(xué)習(xí)的積極性。

結(jié)語(yǔ)

“結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)”是土木工程專(zhuān)業(yè)一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)課程，針對(duì)課程中存在的問(wèn)題，構(gòu)建基于有限元分析的“結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)”課程教學(xué)改革，將有限元軟件引入實(shí)踐教學(xué)。通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的改革，結(jié)合鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁受彎實(shí)驗(yàn)的教學(xué)案例，再現(xiàn)試件的受力過(guò)程與受力性能，分析結(jié)果可與實(shí)驗(yàn)和基本理論相結(jié)合。將有限元分析應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量具有積極的作用，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力具有重要意義。同時(shí)，希望該研究成果可以為土木工程類(lèi)似專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)改革提供參考和借鑒。