基于仿真模拟技术的钢结构课程教学改革

刘文洋　杨光　张兆强　郑鑫　刘少东

摘要：构建基于仿真模拟技术的钢结构课程实践教学新模式，有助于把理论教学与实践环节有机地结合起来，具有低成本、高效率、内容丰富等特点。本文介绍了仿真模拟技术在钢结构课程教学过程中的应用，探讨了基于仿真模拟技术的钢结构课程教学改革措施。相关的方法、内容和具体措施对培养土木工程专业学生的实践能力和创新能力具有积极作用。关键词：仿真模拟；钢结构教学；教学改革中图分类号：G642.0

文献标志码：A

文章编号：1674-9324（2018）20-0110-02 传统的钢结构课程实践教学往往采用工厂或工地参观实习、部分课程配套验证性试验、少量学生参与科研试验等方式。但由于目前开设土木工程专业的院校众多，招收的学生数量也比较大，因此由于实践教学资源和实验条件不足，传统的实践教学方式和方法已经难以适应教学需求。实践教学资源的不足直接导致了钢结构课程除了结合相关的课程设计，培养学生的知识运用能力以外，主要还是以理论讲解为主，缺乏相关的实践教学环节。枯燥的理论推导、计算公式和规范条文使学生对相关知识的学习兴趣和理解程度大打折扣。因此，构建基于仿真模拟技术的钢结构课程实践教学新模式、探索切实可行的实践教学实施方案就具有十分重要的現实意义。一、钢结构课程的教学现状与改革趋势目前，各高校的钢结构课程教学还是主要以理论讲解为主，缺乏实践教学环节。而钢结构课程的特点是理论推导、计算公式和规范条文多，枯燥的教学内容容易使学生失去学习兴趣，影响课程的教学效果和人才培养质量。为缓解这种不利局面，国内部分高校探索建立了本科实验教学平台[1，2]，通过实验平台辅助钢结构课程教学，训练学生对钢结构基本构件和连接的试验技能，培养学生的创新意识与创新能力。而不具备实验条件的大部分高校则采用参观工程项目、观看视频资料、设计制作结构模型并进行加载测试等措施来增强学生对基本构件和结构体系受力性能的理解[3]。但参观工程项目和观看视频资料只能为学生提供对钢结构的直观认识，对学生全面深入理解钢结构基本构件的设计原理帮助有限。因此，部分高校探索建立了仿真模拟实践教学平台[3-5]，利用仿真平台来展示复杂节点构造和结构体系的组成，演示钢结构基本构件的受力过程。仿真模拟辅助课程教学的新模式突破了传统的板书或多媒体教学方式，丰富了教学手段，同时也使课堂教学更生动，有助于调动学生的学习积极性。二、基于仿真模拟技术的钢结构课程教学改革措施将有限元仿真模拟技术与钢结构课程教学结合，一方面可以在计算机软件中立体展示各类复杂节点和结构的构造方式与受力机制，还可通过调整视角来实现对虚拟模型的立体观察。另一方面可以利用有限元模拟的方法对钢结构基本构件及典型结构体系受力过程进行仿真模拟试验，对其受力过程与受力性能进行计算机再现。这些分析利用目前广泛使用的通用有限元软件（如ABAQUS、ANSYS等）均可比较容易地实现。对于钢结构设计原理课程，可采用仿真模拟软件形象地展示各类钢结构基本构件的失稳过程，如轴心受压构件的弯曲失稳、弯扭失稳和扭转失稳、受弯构件的整体失稳、压弯构件的玩具作用平面内和平面外失稳、构件的局部失稳等。还可以提取构件的线弹性屈曲临界荷载和失稳模态以及非线性失稳荷载—位移全过程曲线。利用ABAQUS有限元分析软件构建了钢结构基本构件分析平台，可实现不同类型、不同截面、不同尺寸和不同约束条件的各类基本构件的参数化分析，完成各类基本构件的静力加载分析、特征值屈曲分析、非线性稳定分析等。图1为利用ABAQUS有限元软件完成的压弯构件整体非线性稳定分析。对于钢结构设计课程，可采用仿真模拟软件形象地展示各类典型钢结构体系（如门式刚架厂房、钢桁架屋盖、钢框架、网架、网壳等）的空间组成、失稳模态、振动频率、振动模态和地震响应过程等。基于ANSYS有限元分析软件构建了空间网格结构分析平台，可实现不同类型、不同平面形状、不同尺寸和不同组成规律的空间网格结构的参数化分析，完成各类空间网格结构的静力加载分析、特征值屈曲分析、非线性稳定分析、模态分析、地震响应分析和风振响应分析等。图2为利用ANSYS有限元软件建立的单层球面网壳结构有限元模型。针对多高层建筑钢结构，可实现不同类型、不同平面形状、不同尺寸和不同组成规律的各类多高层建筑钢结构的参数化分析，完成静力分析、特征值屈曲分析、非线性稳定分析、模态分析、地震响应分析和风振响应分析等。图3为利用ABAQUS有限元软件分析得到的钢框架结构振动模态。各类钢结构基本构件及结构体系受力分析的全过程均可提取为视频文件，用以在课程教学中进行展示介绍。此外，还可以获取各类钢结构基本构件和结构体系的相关分析结果，并与教材或规范的理论公式计算结果进行对比。在此过程中提高学生对理论知识的学习兴趣和深化对关键知识点的理解与掌握，培养学生初步从事科学研究的能力。通过科研方法、科研工具与教学的结合，有力地支撑教学工作开展，促进教学质量提高。三、结语为改善钢结构课程教学效果，提高人才培养质量，提出构建基于仿真模拟技术的钢结构课程实践教学新模式。利用通用有限元分析软件对钢结构基本构件及典型结构体系受力性能进行仿真模拟，并将研究成果与钢结构课程教学实践相结合，丰富钢结构课程的教学内容，探索切实可行的钢结构课程实践教学实施方案。相关的方法、内容和具体措施不仅对提高钢结构课程的教学质量具有积极的作用，还能为土木工程专业其他课程的教学提供参考和借鉴，对于培养土木工程专业学生的实践能力和创新能力具有重要意义。参考文献：[1]王伟，赵宪忠，郭小农，等.钢结构多功能教学实验平台的研制与实践[J].高等建筑教育，2009，18（2）：102-104.[2]郭小农，王伟，蒋首超，等.钢结构基本原理实验教学探索[J].高等建筑教育，2011，20（1）：149-154.[3]刘文洋，张兆强，解恒燕.钢结构课程实践教学环节改革与探索.实验室科学，2013，16（3）：168-170.[4]李楠，贾宏俊.基于仿真模拟平台的土木工程主干专业课程实践教学改革[J].高等建筑教育，2016，25（1）：170-173.[5]陆金钰，范圣刚.钢结构稳定原理虚拟仿真平台开发探索[J].教育教学论坛，2015，（47）：127-128.