金玉 曹鵬程

摘要：基于OBE理念對結(jié)構(gòu)試驗教學過程中存在的問題進行分析，引入非線性有限元技術(shù)輔助實驗教學，改變傳統(tǒng)的單一教學方法，結(jié)果表明教學效果良好，說明采用數(shù)值模擬輔助結(jié)構(gòu)試驗教學改進教學效果和提高教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)試驗;有限元技術(shù);教學方法

1 引用

土木工程專業(yè)培養(yǎng)的學生畢業(yè)后主要從事土木工程的設計和施工工作，其實踐性很強，工作中有大量的試驗內(nèi)容。培養(yǎng)學生試驗能力，是近年來教育改革的重要方向。特別是2013年6月，我國加入《華盛頓協(xié)議》、成為該協(xié)議簽約成員，這標志著具有國際實質(zhì)等效的工程教育專業(yè)認證的帷幕在我國已經(jīng)正式拉開。OBE理念對引導和促進專業(yè)建設與教學改革、保障和提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。

2 結(jié)構(gòu)試驗教學改革的意義

隨著土木工程專業(yè)教學改革的不斷深入，相關(guān)專業(yè)教師已經(jīng)認識到結(jié)構(gòu)試驗在培養(yǎng)學生實踐動手能力的重要性，但是實際教學中，學生的求知欲望和學習熱情并沒有被激發(fā)出來，主要由于傳統(tǒng)試驗教學局限于試驗時間、場地、試驗材料和測試儀器等條件，實驗類型偏向于認識性，學生只需按照試驗指導書要求完成已經(jīng)設計好的步驟，而對前期的設計過程、材料性能的選擇及試驗目的結(jié)果不甚了解，造成試驗教學效果達不到預定效果。其次，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)試驗可重復性差，由于試件加工制作過程中存在較大誤差，使試驗結(jié)果存在明顯的離散性，甚至與結(jié)構(gòu)理論存在顯著偏差，這就要學生專業(yè)有足夠的知識儲備。在目前的結(jié)構(gòu)研究中通常采用有限元分析在試驗前對其工作性能進行預測以制定成功率較高的試驗方案，數(shù)值模擬技術(shù)可以在一定程度上彌補現(xiàn)有試驗教學中的缺陷。數(shù)值模擬技術(shù)具有成本低和重復性強的特點，因此在試驗前采用有限元分析方法對結(jié)構(gòu)模型各種工作性能進行預測，可以為制定試驗方案提供定量依據(jù)。在結(jié)構(gòu)試驗教學內(nèi)容中引入有限元分析方法，有利于學生通過利用有限元軟件設計實驗方案。通過對比各種實驗方案的數(shù)值模擬結(jié)果優(yōu)選出一種方案，再根據(jù)實驗驗證分析方案的正確性。當試驗結(jié)束以后，將試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果進行對比，如果兩者結(jié)果較為接近，則證明數(shù)值模擬的參數(shù)設置是正確的，然后可以調(diào)整有限元模型中的各項結(jié)構(gòu)參數(shù)，進一步補充實驗報告。同時還可以對某些受到試驗條件限制而無法開展的實驗工作作補充模擬，彌補了試驗中存在的缺陷。此外，對某些具有實踐意義和可行性的學生實驗，實驗室可以開放，并在實驗室工作人員的指導下進行。這樣將有利于提高實驗室的開發(fā)程度和實驗資源的利用率。

3 數(shù)值仿真結(jié)構(gòu)試驗教學應用案例

筆者以結(jié)構(gòu)試驗中靜定桁架試驗為例，引入ABAQUS軟件對其進行數(shù)值模擬分析，輔助實踐教學。試件參數(shù)：各桿件均采用角鋼2∠40×4，節(jié)點板厚5mm，E=2.06×105N/mm2，測點布置見圖1所示;加載方式采用5級加載。第一級為720N/點，以后每級加360N/點。

通過數(shù)值模擬可以直觀的提取出桁架在不同加載階段的應力和位移，學生在進行試驗前可以直觀看到加載的全過程以及桿件內(nèi)力和變形分布情況。引入有限元數(shù)值模擬技術(shù)，教師在教學過程中可以通過改變試驗參數(shù)完成不同材料屬性和工況的加載試驗，基于多參數(shù)化的比試驗結(jié)果，有利于學生加深對試驗結(jié)果認識，理解也更加透徹。

4 結(jié)論

通過在試驗室現(xiàn)場引入有限元模擬技術(shù)，充分利用數(shù)值模擬技術(shù)具有成本低和重復性強的特點，來提高學生利用現(xiàn)有的專業(yè)知識對實際問題分析的能力，激起學生對計算分析技術(shù)與試驗技術(shù)相結(jié)合來研究實際問題的興趣，擴展專業(yè)知識面，為以后學習和工作墊底基礎(chǔ)。

參考文獻：

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[3] 黃麗婷，熊世樹，李黎.土木工程結(jié)構(gòu)實驗室實驗教學改革探討[J].北京：實驗科學與技術(shù).2006（06）.

基金項目：本文系嘉興學院2017年度教改項目（編號：B3）。

（作者單位：嘉興學院建筑工程學院）