張如林+程旭東+楊文東+張艷美

摘要：數(shù)值模擬技術(shù)是土木工程專業(yè)學(xué)生開展學(xué)術(shù)研究的基本技能，通過開設(shè)數(shù)值模擬課程，在教學(xué)實(shí)踐中提出“軟件超市”的教學(xué)模式，滿足了學(xué)生的多樣化及個(gè)性化需求。以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目和工程案例為訓(xùn)練任務(wù)，鍛煉學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和解決實(shí)際問題的能力。經(jīng)過土木工程分析軟件與應(yīng)用課程的三年教學(xué)實(shí)踐，教學(xué)效果良好，提高了學(xué)生的科研水平。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；軟件超市；課程改革；創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2017）03-0069-04

目前我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為提升核心競(jìng)爭(zhēng)力，獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，需要大批素質(zhì)全面的具有綜合職業(yè)能力，直接服務(wù)于生產(chǎn)一線，從事技術(shù)和管理的應(yīng)用型卓越工程人才[1-3]。高等學(xué)校的根本任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)創(chuàng)新人才，而開展教學(xué)改革、創(chuàng)新教學(xué)方法則是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要舉措。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)手段逐步完善，數(shù)值模擬以其適用性強(qiáng)，便于處理非均質(zhì)、非線性、復(fù)雜邊界諸多問題等優(yōu)點(diǎn)，已成為分析工程實(shí)際問題不可替代的手段[4-5]。數(shù)值模擬技術(shù)作為解決工程實(shí)際問題的有效手段，已成為土木工程研究生學(xué)術(shù)研究的重要工具，因此，讓學(xué)生快速掌握數(shù)值模擬方法，更好地開展科研工作是一項(xiàng)重要任務(wù)。土木工程學(xué)科實(shí)踐性強(qiáng)，如何針對(duì)學(xué)科特點(diǎn)制定合理的數(shù)值模擬課程，培養(yǎng)具備較強(qiáng)數(shù)值計(jì)算分析和創(chuàng)新能力的人才，是目前土木工程專業(yè)研究生教育的重要內(nèi)容。

為使學(xué)生更好地掌握數(shù)值分析軟件，提高其科研水平和創(chuàng)新能力，我們結(jié)合實(shí)際，專門為研究生開設(shè)了土木工程分析軟件與應(yīng)用課程，從該課程近幾年的教學(xué)實(shí)踐和反饋來看，取得了較好的教學(xué)效果。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀

土木工程分析軟件與應(yīng)用課程目前主要存在著兩大問題。

（一） 課時(shí)少，任務(wù)重

該課程面臨講授課時(shí)少，講解內(nèi)容多的矛盾。目前該課程共有32學(xué)時(shí)，包括上機(jī)和理論課時(shí)，如果按照每個(gè)數(shù)值分析軟件安排8學(xué)時(shí)講授來算，那么整門課程最多能講授4個(gè)軟件。而目前學(xué)生的研究方向和研究深度各有不同，為滿足學(xué)生的最大化需求，需要盡可能選擇多個(gè)軟件進(jìn)行講解，因此就要做好課程講授軟件的選擇。

同時(shí)，教學(xué)中難以做到像本科學(xué)習(xí)PKPM或Auto CAD之類的軟件，課堂上教師帶領(lǐng)學(xué)生一步一步地操作，所以必須對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行精簡(jiǎn)和合理編排，給學(xué)生設(shè)置有效作業(yè)任務(wù)，發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性，提高上課效率。

（二）教學(xué)手段不夠豐富

同時(shí)該課程教學(xué)手段單一，教師講臺(tái)上講解，學(xué)生下面練習(xí)的教學(xué)方法過于落后，難以滿足學(xué)生的實(shí)際科研需要，也無法快速有效地運(yùn)用所學(xué)的數(shù)值軟件知識(shí)輔助科研。學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，在其進(jìn)行課題研究和科研工作過程中，存在概念不清，軟件不會(huì)用的問題。

基于上述問題，我們將采取以學(xué)生為中心，以教師為引導(dǎo)的教學(xué)方式，教師通過教學(xué)激活知識(shí)，引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，從而將外在的知識(shí)內(nèi)化為自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)分析問題的能力，提高其創(chuàng)新意識(shí)。

二、數(shù)值模擬軟件的選擇與特點(diǎn)

目前中國(guó)石油大學(xué)（華東）土木工程專業(yè)研究生主要分為結(jié)構(gòu)工程方向和巖土工程方向。根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)和學(xué)生自身需求，每學(xué)期課程開始之前先對(duì)學(xué)生的研究方向和擬用數(shù)值軟件進(jìn)行廣泛調(diào)查，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來土木工程領(lǐng)域數(shù)值模擬的發(fā)展趨勢(shì)，遴選土木工程中應(yīng)用廣泛的幾種數(shù)值軟件作為主要教學(xué)內(nèi)容。

經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐，我們選擇的幾種數(shù)值分析軟件的主要特點(diǎn)和適用范圍如表1所示。

三、教學(xué)改革探索與實(shí)踐

一門課程能取得良好的教學(xué)效果，與教學(xué)內(nèi)容的合理組織和安排，以及恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法有密不可分的關(guān)系。為此我們從以下四個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革。

（一）構(gòu)建“軟件超市”，滿足學(xué)生需要

為拓寬學(xué)生視野，盡可能滿足學(xué)生的科研需求，適時(shí)選擇多種土木工程常用分析軟件，為研究生構(gòu)建了內(nèi)容豐富的“軟件超市”，軟件超市包括ANSYS，F(xiàn)LAC，ABAQUS，SAP，ADINA，COMSOL等工程數(shù)值軟件，學(xué)生可結(jié)合自己的興趣特長(zhǎng)、研究方向及論文課題等進(jìn)行針對(duì)性學(xué)習(xí)。為了提高學(xué)習(xí)效率，要求學(xué)生在上課之前對(duì)所講軟件有基本的了解。給學(xué)生講述各種軟件的特點(diǎn)、適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)，以方便學(xué)生結(jié)合自己的課題需求選擇合適的軟件。

數(shù)值軟件主要是計(jì)算理論的運(yùn)用和數(shù)值算法的實(shí)現(xiàn)，要想完全掌握并熟練應(yīng)用軟件，必須要清楚該軟件所運(yùn)用的計(jì)算理論和數(shù)值算法，了解同一個(gè)問題用不同數(shù)值軟件求解結(jié)果異同的原因

。如ANSYS屬于有限元軟件，有限元法是用較簡(jiǎn)單的問題代替復(fù)雜問題后再求解，將求解域分成有限元互連子域，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的近似解，利用變分原理和最小勢(shì)能原理推導(dǎo)求解該域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。而FLAC3D屬于有限差分軟件，其本質(zhì)是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處建立差分格式的近似方程求解。數(shù)值解不是準(zhǔn)確解，而是近似解。許多工程問題都?xì)w結(jié)于求解偏微分方程，不同軟件采用不同的方法而已，但殊途同歸，最終都要收斂于精確解，這也是各種軟件計(jì)算結(jié)果可以比較的基礎(chǔ)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，可汲取各種軟件的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，舉一反三，融會(huì)貫通。

（二）由淺入深，以基本理論為本

具備扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)和良好的專業(yè)素養(yǎng)是培養(yǎng)高水平研究生的主要目的。研究生在學(xué)習(xí)軟件過程中往往存在基本概念模糊，理論一知半解，好高騖遠(yuǎn)、急于求成等問題，教學(xué)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)基本概念的重要性。

在教學(xué)實(shí)踐中，我們結(jié)合簡(jiǎn)單算例介紹基本理論，并注意提高學(xué)生手算的能力，通過手算和機(jī)算對(duì)比，一方面鞏固學(xué)生的基本力學(xué)知識(shí)，另一方面還可以檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。比如，以簡(jiǎn)單桁架結(jié)構(gòu)為例對(duì)手工計(jì)算方法予以說明，進(jìn)而歸納總結(jié)出計(jì)算步驟。這樣一方面回顧了前面所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)理論，另一方面掌握了數(shù)值軟件的基本操作。從簡(jiǎn)單問題開始，由淺入深，等掌握了基本的操作命令，打好基礎(chǔ)后，再給學(xué)生安排一定的課下操作練習(xí)進(jìn)行強(qiáng)化。

不斷強(qiáng)調(diào)課下實(shí)踐的重要性，告誡學(xué)生不要好高騖遠(yuǎn)。切勿一開始就建立復(fù)雜模型，因?yàn)閺?fù)雜模型難免出現(xiàn)大量錯(cuò)誤而挫傷其學(xué)習(xí)積極性。因此，要從簡(jiǎn)單模型開始，如力學(xué)教材中的例題和課后習(xí)題，先熟悉各個(gè)操作命令，簡(jiǎn)單的問題更容易進(jìn)行程序的查錯(cuò)和調(diào)試。只有簡(jiǎn)單模型沒有問題之后，才能進(jìn)行復(fù)雜模型的訓(xùn)練。雖然在前期可能耽誤一些時(shí)間，但最終會(huì)產(chǎn)生事半功倍的效果。通過給學(xué)生布置任務(wù)，讓學(xué)生帶著問題自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的自學(xué)能力。

（三）真實(shí)賽題訓(xùn)練，提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力

學(xué)習(xí)數(shù)值分析軟件的目的在于應(yīng)用，尤其是實(shí)踐性很強(qiáng)的土木工程應(yīng)用學(xué)科，應(yīng)改變過去教師講，學(xué)生聽，師生互動(dòng)少、學(xué)習(xí)效果不佳的狀況。在教學(xué)過程中，我們鼓勵(lì)學(xué)生以小組討論形式，共同完成一個(gè)問題的數(shù)值模擬。每次討論，我們都遵循“問題→建?！?jì)算→分析→評(píng)價(jià)”的分析過程。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，做到學(xué)以致用，我們?cè)陨綎|省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的真實(shí)賽題為任務(wù)，該賽題需要設(shè)計(jì)并制作一雙竹結(jié)構(gòu)高蹺模型進(jìn)行加載測(cè)試。在教學(xué)過程中，將學(xué)生分成若干設(shè)計(jì)小組，由每個(gè)小組設(shè)計(jì)模型方案，然后運(yùn)用一到兩個(gè)不同的數(shù)值分析軟件完成模型建模及加載分析等內(nèi)容，要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)作品和數(shù)值分析，并由各小組的組長(zhǎng)在全班面前進(jìn)行作品展示。期間其他各小組成員對(duì)該組作品進(jìn)行打分，設(shè)計(jì)作品的成績(jī)由學(xué)生評(píng)價(jià)與教師評(píng)價(jià)相結(jié)合給出。此項(xiàng)措施加深了學(xué)生對(duì)軟件的認(rèn)識(shí)和掌握程度，同時(shí)也提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，取得了不錯(cuò)效果。在教學(xué)實(shí)踐中，我們還鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用多個(gè)軟件分析同一個(gè)問題，加深其對(duì)數(shù)值分析理論和方法的理解。

（四）案例教學(xué)，提高解決工程問題能力

本課程的主要內(nèi)容是軟件的學(xué)與用，其中“學(xué)”是手段，“用”是目的。課程教學(xué)要與工程實(shí)踐相結(jié)合，否則學(xué)生感覺基礎(chǔ)理論知識(shí)太過抽象，難以理解和掌握。要使學(xué)生清楚知道為什么學(xué)習(xí)本課程，習(xí)得知識(shí)可解決哪些實(shí)際問題，如何利用課程知識(shí)分析、解決工程實(shí)際問題。同時(shí)，針對(duì)個(gè)別軟件前處理的不便，我們專門開發(fā)了FLAC3D前處理分析程序[6]，介紹了復(fù)雜地質(zhì)建模前處理方法在巖石力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

對(duì)于工科研究生來講，學(xué)習(xí)數(shù)值分析軟件最重要的就是解決工程實(shí)際問題。授課教師可結(jié)合自己的研究課題、科研項(xiàng)目，在教學(xué)中適當(dāng)講解一些具體工程實(shí)例，介紹自己的科研過程以及心得體會(huì)。下面簡(jiǎn)單列舉幾個(gè)工程實(shí)例的數(shù)值模擬教學(xué)內(nèi)容。

1.大型儲(chǔ)油罐抗震及隔震分析

儲(chǔ)油罐是石油和天然氣資源利用、再生產(chǎn)和供給的重要基礎(chǔ)性設(shè)施，我們針對(duì)其抗震問題進(jìn)行數(shù)值模擬的講解。比如幾何模型的建立方法、有限元網(wǎng)格的剖分技巧、土體與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用、人工邊界的設(shè)置、地基材料的本構(gòu)模型選擇、地震波的選擇與輸入、罐底和基礎(chǔ)之間的非線性接觸效應(yīng)等。在隔震方面，以大型LNG儲(chǔ)罐為例，介紹預(yù)應(yīng)力鋼筋的建模方法、隔震夾層橡膠支座的數(shù)值建模技巧和其參數(shù)的合理選取。

2.大型土-海底沉管隧道體系的地震響應(yīng)

通過此案例，介紹土-隧道摩擦接觸面的單元選擇，彈簧單元的施加，多層非均勻軟土地基的建模，行波激勵(lì)的數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)，以及動(dòng)水壓力的簡(jiǎn)化分析方法等。不僅讓學(xué)生了解軟件的應(yīng)用情況，而且還穿插介紹相關(guān)的理論知識(shí)，拓寬了其知識(shí)面。

3.大型LNG儲(chǔ)罐抗爆分析

儲(chǔ)罐的抗爆問題難以用物理實(shí)驗(yàn)完成，而數(shù)值模擬則可解決該問題。以董家口港大型LNG為例，給學(xué)生講解如何采用ANSYS軟件進(jìn)行建模前處理，如何利用LS-DYNA軟件分析后處理方法，研究爆炸沖擊荷載作用下LNG儲(chǔ)罐的動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)，并分析多種工況下罐體的變形規(guī)律和應(yīng)力響應(yīng)分布。

4.LNG儲(chǔ)罐球形混凝土穹頂?shù)臒釕?yīng)力及裂縫分布

以山東某LNG接收站的一個(gè)16萬m3大型LNG儲(chǔ)罐鋼筋混凝土穹頂為例進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。采用ADINA有限元軟件建立精細(xì)化的有限元模型，模擬LNG儲(chǔ)罐穹頂分段澆筑過程中的早期溫度場(chǎng)分布，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。數(shù)值分析時(shí)考慮了混凝土徐變及齡期效應(yīng)，對(duì)混凝土穹頂?shù)臏囟葓?chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行耦合計(jì)算，得到穹頂?shù)臒釕?yīng)力分布及裂縫發(fā)展情況。

可見數(shù)值模擬技術(shù)在替代物理實(shí)驗(yàn)方面具有較強(qiáng)的優(yōu)越性，掌握好數(shù)值軟件是十分必要的。在教學(xué)過程中，考慮到石油大學(xué)的特色，有側(cè)重地講解了特種結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬試驗(yàn)技術(shù)和模擬過程。通過實(shí)際工程案例教學(xué)，讓學(xué)生切實(shí)感受到數(shù)值軟件強(qiáng)大的求解能力和成功解決問題的全過程，進(jìn)而激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，鍛煉學(xué)生利用數(shù)值分析工具解決實(shí)際工程問題的能力。

四、教學(xué)效果

為了保證教學(xué)質(zhì)量，土木工程分析軟件與應(yīng)用課程均由具有博士學(xué)位，數(shù)學(xué)和力學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)扎實(shí)，亦對(duì)數(shù)值分析軟件有豐富應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的青年教師主講，至今已經(jīng)進(jìn)行了3年的教學(xué)實(shí)踐。由于教學(xué)實(shí)踐效果良好，土木工程分析軟件與應(yīng)用課程已納入中國(guó)石油大學(xué)核心課程建設(shè)和土木工程學(xué)術(shù)碩士點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。學(xué)生結(jié)課論文選題廣泛，如《鹽穴儲(chǔ)氣庫密封性數(shù)值模擬研究》《LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐地震響應(yīng)分析》《大型LNG儲(chǔ)罐在泄漏狀態(tài)下的靜力分析》《斷層錯(cuò)動(dòng)下埋地管線響應(yīng)計(jì)算分析》《地震作用下碎石樁（單樁）復(fù)合地基加固機(jī)理分析》《鋼結(jié)構(gòu)樓梯主結(jié)構(gòu)的彈塑性分析》《地震作用下預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土懸臂梁的兩種單元模擬分析》等，類型多樣，同時(shí)也體現(xiàn)了中國(guó)石油大學(xué)的特色，其中石油工業(yè)方面的數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)題目比例較大。

上課學(xué)生普遍反映，通過課程學(xué)習(xí)，提高了科研能力和研究效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，上課學(xué)生中多人成功申請(qǐng)了中國(guó)石油大學(xué)（華東）自主創(chuàng)新科研計(jì)劃研究生基金項(xiàng)目，并以第一作者身份在EI期刊發(fā)表多篇論文。同時(shí)，該課程教學(xué)效果也得到研究生導(dǎo)師們的一致肯定，提高了研究生的創(chuàng)新能力和培養(yǎng)質(zhì)量，增強(qiáng)了其就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

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