基于Midas的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革研究

趙 越

(江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院,江蘇 常州 213016)

結(jié)構(gòu)力學(xué)是工程領(lǐng)域中的一門重要學(xué)科,主要研究物體的力學(xué)性質(zhì)以及力的作用對物體的影響,廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、航空航天、汽車等各個工程領(lǐng)域。它是解決工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析問題的基礎(chǔ)。通過結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析,可以確定結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、剛度、強(qiáng)度等重要參數(shù),保證工程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性［1］。

在實踐教學(xué)中,學(xué)生通常需要學(xué)習(xí)基本的結(jié)構(gòu)力學(xué)理論,并通過實驗、計算和建模等方法,應(yīng)用這些理論解決實際問題。學(xué)生通過學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué),可以培養(yǎng)出分析問題和解決問題的能力,具備設(shè)計和分析工程結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識和技能［2］。

在教學(xué)實施過程中,學(xué)生需要理解力學(xué)原理、數(shù)學(xué)推導(dǎo)和復(fù)雜的計算,這對于沒有相關(guān)基礎(chǔ)的學(xué)生來說,理解有一定的難度,特別是到了力法、位移法部分,學(xué)習(xí)的難度和阻力會更大。因此,研究如何調(diào)整和更新課程內(nèi)容,使其與結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域最新的發(fā)展趨勢和技術(shù)要求相符合,具有非常重要的實際意義。這包括引入新的理論知識、設(shè)計方法和先進(jìn)技術(shù),如有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、非線性分析等,本文即是在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中融入了有限元軟件分析作為改革方向進(jìn)行了探索［3］。

1 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)設(shè)計存在的問題

1.1 教學(xué)方法單一

目前的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)往往只注重理論知識的講解和板書,教師在課堂上進(jìn)行單向的講解,學(xué)生被動地接受知識,缺乏多樣化的教學(xué)方法和師生互動,學(xué)生很難主動參與討論和思考,導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳［4］。

1.2 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求過高

結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門應(yīng)用數(shù)學(xué)的學(xué)科,需要一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。然而,目前一些教材和教學(xué)方法在數(shù)學(xué)推導(dǎo)中過于繁瑣和抽象,給學(xué)生帶來困難,可能導(dǎo)致他們對課程失去興趣［5］。

1.3 缺乏互動和實踐環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)大多是理論的力學(xué)推算,均是停留在紙面的數(shù)學(xué)計算,學(xué)生缺乏直觀的實踐操作和實驗的機(jī)會,難以培養(yǎng)出對結(jié)構(gòu)力學(xué)的深入理解和應(yīng)用能力。限制了學(xué)生的主動學(xué)習(xí)和實際動手能力的培養(yǎng)［6］。

2 Midas在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中的改革實踐

2.1 有限元軟件Midas的應(yīng)用

Midas軟件是一款功能強(qiáng)大、用戶友好的工程分析和設(shè)計軟件,廣泛應(yīng)用于建筑、土木和結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域。它擁有多個模塊,可用于靜力學(xué)、動力學(xué)和非線性分析等多種工程問題的解決。Midas軟件具有直觀的用戶界面,使用戶能夠快速上手并有效地使用軟件。它提供了豐富的圖形化工具和可視化結(jié)果,使用戶可以直觀地觀察和分析結(jié)構(gòu)的行為［7］。

Midas軟件在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢。它提供了一種直觀的方法,可以以圖形化的方式展示結(jié)構(gòu)模型、荷載、邊界條件和分析結(jié)果,可以幫助學(xué)生理解結(jié)構(gòu)的受力情況、變形行為和安全性能,從而提高他們的分析和設(shè)計能力。同時,它也為教師提供了更多的教學(xué)資源和輔助工具,有助于提高教學(xué)效果［8］。

2.2 Midas在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中的實踐

2.2.1 Midas與教學(xué)融合的思路

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程在整個專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的學(xué)時有限,而教學(xué)的內(nèi)容卻很多,要想在有限的學(xué)時內(nèi)提高教學(xué)效果,應(yīng)合理運(yùn)用Midas來輔助教學(xué),幫助學(xué)生理解力學(xué)原理,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)教材新知識的興趣［9］。Midas融入結(jié)構(gòu)力學(xué)課程設(shè)計的思路如下。

①根據(jù)Midas的功能特點,選取合適的結(jié)構(gòu)力學(xué)知識點,進(jìn)行課程案例設(shè)計,如靜定梁、靜定鋼架,靜定平面桁架,結(jié)構(gòu)位移計算等。

②講解Midas基本操作過程,演示完整的結(jié)構(gòu)建模過程,運(yùn)行Midas數(shù)值仿真計算,展示結(jié)果、云圖和表格等。

③結(jié)合教材具體講解計算的原理和步驟,對難點和學(xué)生共性的問題發(fā)起討論,解答疑惑。

④教師把該知識點Midas建模的操作演示視頻發(fā)給學(xué)生,學(xué)生通過學(xué)習(xí),可加深印象,提高操作水平,并可驗證課后作業(yè)的正確性。

2.2.2 單跨靜定梁教學(xué)案例

以 22級道路與橋梁工程專業(yè)學(xué)生為實踐對象,以單跨靜定梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算為例,介紹課程融入Midas仿真技術(shù)的教學(xué)實施過程,教學(xué)設(shè)計案例如圖1。

圖1 梁的剪力圖和彎矩圖

2.2.2.1 講授Midas的建模計算過程,展示計算結(jié)果

教師先帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識這個單跨靜定梁的構(gòu)成、荷載類型和支座類型,然后打開Midas計算軟件,介紹窗口截面的功能分區(qū),并按照前處理、運(yùn)行分析、后處理的步驟進(jìn)行建模計算見圖2-5。

圖2 軟件建立的模型

圖3 Midas計算的支座反力

圖4 Midas計算的剪力圖

圖5 Midas計算的彎矩圖

2.2.2.2 講解理論計算內(nèi)力圖的步驟

詳見圖6、7。

圖6 手繪剪力圖

圖7 手繪彎矩圖

2.2.2.3 發(fā)起課堂討論,解答疑惑

講解完理論計算的方法和步驟后,學(xué)生基本了解了單跨靜定梁的剪力、彎矩計算過程,但對于案例中的疊加法作彎矩圖是本部分的難點,通常有一些學(xué)生還沒有完全搞明白,此時發(fā)起課堂討論,大家共同尋找最大彎矩的位置和數(shù)值。

該靜定結(jié)構(gòu)中EF截面梁的彎矩圖可采用疊加法繪制,EF截面梁可作為隔離體(見圖8)。不難看出,它與跨度等于該梁長度并承受相同荷載q和端部彎矩ME和MF的相應(yīng)簡支梁相同(見圖9)。因為如果使用平衡條件分別計算QE、QF和RE、RF,則可以確定QE=RE,QF=-RF,即它們受到完全相同的外力,因此它們也有相同的內(nèi)力圖。所以,在繪制EF截面梁的彎矩圖時,可以將兩端的彎矩ME和MF求出并連為一條直線,然后將相應(yīng)簡支梁在荷載q下的彎矩圖疊加在這條直線上。為了確定最大彎矩值Mmax,應(yīng)確定剪力為零的截面K的位置。由QK=QE-qx=8-5x=0,可得x=1.6 m。故最大彎矩值出現(xiàn)在距離E點右側(cè)1.6 m處,且最大值為:

圖8 隔離體EF梁端

圖9 等同簡支梁

2.2.2.4 把Midas的建模視頻發(fā)給學(xué)生,讓學(xué)生課后借鑒和學(xué)習(xí)

課后教師把課內(nèi)Midas建模操作過程錄制成視頻,發(fā)給學(xué)生,鼓勵學(xué)生結(jié)合視頻學(xué)習(xí)建模基本步驟,初步掌握Midas建模技能,便于對布置的課后作業(yè)解答結(jié)果進(jìn)行驗證;通過Midas建模也可以用來證實教材中已有的結(jié)論,達(dá)到加深學(xué)生知識掌握的目的［10］。

3 結(jié)語

Midas軟件可以幫助學(xué)生更好地理解結(jié)構(gòu)力學(xué)理論,掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的方法和技巧。學(xué)生可以通過使用軟件進(jìn)行實際操作,學(xué)習(xí)如何建立結(jié)構(gòu)的有限元模型、如何設(shè)置邊界條件和加載條件、如何進(jìn)行分析和求解等。這樣的實踐經(jīng)歷可以幫助學(xué)生更好地理解結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的過程和方法。

同時,還可以提高結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)的實用性和趣味性。通過使用軟件進(jìn)行實際的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計,學(xué)生可以更好地理解結(jié)構(gòu)力學(xué)知識的應(yīng)用價值,并且能夠更加主動地參與到課堂討論和實踐操作中,幫助學(xué)生培養(yǎng)工程實踐中的問題解決和創(chuàng)新能力。