淺談ANSYS 在開放教育混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

王正一

（河南廣播電視大學(xué)，鄭州 450008）

一、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)現(xiàn)狀

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》是電大開放教育土建類本科專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，課程內(nèi)容包括混凝土結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計原理和常見結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算方法，構(gòu)造要求等，是理論和實踐結(jié)合非常緊密的一門課程［1］。其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生掌握混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的基本原理和計算方法。本課程是《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》與《橋梁工程》的先修課程，主要講授混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的設(shè)計原理，為學(xué)習(xí)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。本課程的先修課程為《土木工程力學(xué)（本）》。通過本課程的學(xué)習(xí)力求達(dá)到以下教學(xué)效果：（1）使學(xué)生能夠掌握常見結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本概念和設(shè)計原理；（2）重點掌握常見結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算方法和構(gòu)造要求；（3）講授本課程，要求思路清晰、前后連貫、重點明確，并做到使教材內(nèi)容與現(xiàn)行規(guī)范的統(tǒng)一。建筑結(jié)構(gòu)試驗、建材試驗等試驗及實踐課程要與本課程的理論知識相聯(lián)系，通過多途徑多方法使學(xué)生學(xué)好這門課［2］。

由于開放教育課程的教學(xué)特點，學(xué)生主要通過收看電視、IP 課件、直播課堂、網(wǎng)上教學(xué)輔導(dǎo)等方式進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，學(xué)生很少上面授課，實驗課幾乎沒有，再加上混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗課所需的實驗設(shè)備通常價格不菲，且消耗的材料較多，即使有實驗課，實驗的內(nèi)容也比較簡單，尺寸較大或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件就很難實現(xiàn)，不利于提高學(xué)生的動手能力和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，必然會影響本課程的教學(xué)水平，影響學(xué)生的整體學(xué)習(xí)效果［3］。因此必需要進(jìn)行改革，使這門課程的教學(xué)與開放大學(xué)教育相適應(yīng)，與工程實際相結(jié)合。一方面在常規(guī)教學(xué)媒體文字教材、IP 課件、錄象教材等基礎(chǔ)上推陳出新，另一方面將混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的教學(xué)與數(shù)值仿真技術(shù)緊密結(jié)合，把開放教育利用現(xiàn)代信息技術(shù)遠(yuǎn)程教學(xué)的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，使學(xué)生具有一定的分析問題和解決問題的能力，走上工作崗位后不僅具有扎實的理論知識，而且具有較強(qiáng)的動手能力和創(chuàng)新意識。

二、教學(xué)中應(yīng)用ANSYS的優(yōu)勢

ANSYS 是融結(jié)構(gòu)、流體等于一體的大型通用有限元軟件，具有功能強(qiáng)大的前后處理及計算分析能力，已應(yīng)用于多個領(lǐng)域［4］，目前很多高校已經(jīng)將ANSYS 作為本科或研究生的必修課程。依據(jù)遠(yuǎn)程開放教育學(xué)生的具體情況，在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的教學(xué)過程中，適當(dāng)利用ANSYS的強(qiáng)大功能，把混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的教學(xué)與ANSYS的數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合起來，可以減輕本課程的學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和分析創(chuàng)新能力，增強(qiáng)教學(xué)效果。

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的最大特點是內(nèi)容多、涉及面廣、經(jīng)驗強(qiáng)、公式多、符號多、構(gòu)造規(guī)定多、實踐性強(qiáng)，初學(xué)者學(xué)起來較為吃力。如混凝土結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)內(nèi)容包括材料性能、設(shè)計方法、各類構(gòu)件的受力性能（拉壓彎剪扭）及其計算方法和配筋構(gòu)造等，涉及內(nèi)容非常廣泛，既有理論推導(dǎo)，又有實驗研究，同時還與規(guī)范、工程實際聯(lián)系密切，因此教學(xué)難度較大，并且這門課程所用的符號和公式非常多，設(shè)計公式的推導(dǎo)過程較復(fù)雜，如在對軸心受壓柱的正截面承載力設(shè)計公式推導(dǎo)時，由于學(xué)生對實際的破壞過程不是很了解，從而增加了對設(shè)計原理和設(shè)計公式的理解難度。如果通過ANSYS的特定功能，可將抽象難解的理論轉(zhuǎn)化為形象易懂的圖像。同時借助于ANSYS的強(qiáng)大功能，還可以使軸心受壓柱的加載破壞過程以動畫的形式清晰直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，并且對于每一加載點對應(yīng)的數(shù)據(jù)如應(yīng)力、應(yīng)變、變形等都能看到，必定有助于減輕本課程的學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和分析創(chuàng)新能力，增強(qiáng)教學(xué)效果。而且同時還可以提高學(xué)生的計算機(jī)應(yīng)用能力，特別是對于在職學(xué)生的實際工作能力，一定會有很大的提高。

三、數(shù)值模擬系統(tǒng)的實現(xiàn)

1.ANSYS 數(shù)值模擬系統(tǒng)的特點。ANSYS 數(shù)值模擬系統(tǒng)主要采用powerpoint 多媒體軟件編寫制作，使用Photoshop7.0等軟件進(jìn)行圖像和圖形的處理，采用coredraw 或3Dmax 軟件制作部分動畫，ANSYS 數(shù)值模擬軟件能夠自動生成大部分圖像、圖形及動畫。ANSYS 數(shù)值模擬技術(shù)可與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的教學(xué)過程緊密結(jié)合，把開放教育利用現(xiàn)代信息技術(shù)遠(yuǎn)程教學(xué)的優(yōu)勢充分發(fā)揮，便于學(xué)生自學(xué)。本系統(tǒng)的特色是界面簡潔、圖像形象和動畫生動［5］。通過ANSYS 數(shù)值模擬技術(shù)把實驗的原理、操作步驟和實驗過程以靜態(tài)或動態(tài)的畫面展現(xiàn)出來，學(xué)生不僅對實驗結(jié)果有了清晰的認(rèn)識，更重要的是對理論知識有了深刻的理解。

2.ANSYS 數(shù)值模擬系統(tǒng)的組成。ANSYS 數(shù)值模擬系統(tǒng)由實驗基本原理、實驗?zāi)Ｐ徒M成、實驗過程演示、實驗要點分析四個模塊組成。實驗原理介紹模塊主要包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實驗?zāi)康?、基本原理；實驗?zāi)Ｐ徒M成模塊主要介紹實驗?zāi)Ｐ偷幕緲?gòu)成、主要程序；實驗過程演示模塊由鋼筋混凝土板的應(yīng)力集中演示、鋼筋混凝土梁的彎曲變形演示、鋼筋混凝土柱的受壓變形演示等組成；實驗要點分析模塊是在模擬過程中對結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變，撓度等力學(xué)性質(zhì)的分析［6］。

四、ANSYS 在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學(xué)中的具體應(yīng)用

借助于ANSYS 強(qiáng)大的處理功能，可形象地模擬鋼筋混凝土常見結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力分析和破壞過程。對于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理中的梁、板、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力分析時內(nèi)部各截面甚至各點上的應(yīng)力、應(yīng)變等都可以清晰地表示出來，同時還能將結(jié)構(gòu)構(gòu)件如梁受力破壞時鋼筋和混凝土的破壞過程形象生動地表達(dá)出來［7］。加深了學(xué)生對本課程學(xué)習(xí)時的直觀印象，教學(xué)效果也得到了明顯的提高。

1.簡支梁彎曲正應(yīng)力分布模擬。

通過數(shù)值模擬結(jié)果，可以清晰地看出來鋼筋混凝土簡支梁受力彎曲時，橫截面的正應(yīng)力是沿截面高度呈線性分布的。最大應(yīng)力在上、下邊緣處，最小在中性軸處，跨中撓度最大。如圖2 所示。因此，鋼筋混凝土梁在設(shè)計時，可以將材料集中在梁的上下邊沿，適當(dāng)減少中和軸附近的混凝土，這樣不僅節(jié)省材料，而且受力更合理［8］。

2.平板應(yīng)力集中現(xiàn)象的模擬。

應(yīng)力集中是指由于構(gòu)件外形、截面尺寸突然變化而引起局部應(yīng)力急劇增大的現(xiàn)象。如在廚房衛(wèi)生間等有管道穿過的鋼筋混凝土板，或開有門窗洞口的鋼筋混凝土墻等。圖3 為鋼筋混凝土板應(yīng)力集中的計算模型，圖4 是鋼筋混凝土板在中部開圓口情況下的應(yīng)力集中現(xiàn)象的模擬結(jié)果，從圖中可以直觀地看出在開孔位置應(yīng)力增大的現(xiàn)象［9］。

圖1 簡支梁彎曲計算模型

圖2 簡支梁彎曲正應(yīng)力分布

圖3 平板應(yīng)力集中計算模型

圖4 開口平板應(yīng)力分布

圖5 圓軸扭轉(zhuǎn)計算模型

圖6 圓軸扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力分布

3.圓形截面純扭構(gòu)件應(yīng)力分布模擬。

圓軸扭轉(zhuǎn)變形后，各橫截面仍然保持為平面，其形狀，大小不變，半徑仍為直線，只是繞軸線轉(zhuǎn)過了一個角度，此即扭轉(zhuǎn)問題中的平面截面假設(shè)［10］。由于扭轉(zhuǎn)變形時相鄰橫截面之間的距離不變，整個圓軸沒有伸長或縮短，即線應(yīng)變，所以在橫截面上沒有正應(yīng)力產(chǎn)生。由于縱向線的傾斜，使圓軸表面上的小矩形都發(fā)生了歪斜而變成了平行四邊形，這說明相鄰兩個橫截面之間產(chǎn)生了相對的平行錯動（如圖5 所示）。由于兩橫截面間的錯動而產(chǎn)生的傾斜角就是剪應(yīng)變。由此可知，在橫截面上必定有剪應(yīng)力存在。又因為每一個小矩形的剪應(yīng)變都等于，可見每個小矩形必受到相同的剪應(yīng)力作用，也就是說，在橫截面的圓周上各點的剪應(yīng)力都是相等的。由于橫截面的半徑長度不變，故橫截面上沒有徑向剪應(yīng)力，只存在與半徑方向垂直的圓周方向的剪應(yīng)力（如圖6 所示）。

五、結(jié)語

將混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的教學(xué)與數(shù)值仿真技術(shù)緊密結(jié)合，把開放教育利用現(xiàn)代信息技術(shù)遠(yuǎn)程教學(xué)的優(yōu)勢充分發(fā)揮，通過ANSYS的特定功能，可將抽象難解的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理轉(zhuǎn)化為形象易懂的圖像。同時借助于ANSYS的強(qiáng)大功能，還可以使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加載破壞過程以動畫的形式清晰直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，并且對于每一加載點對應(yīng)的數(shù)據(jù)如應(yīng)力、應(yīng)變、變形等都能看到，必定有助于減輕本課程的學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和分析創(chuàng)新能力，增強(qiáng)教學(xué)效果。而且還可以提高學(xué)生的計算機(jī)應(yīng)用能力，特別是對于在職學(xué)生的實際工作能力，一定會有很大的提高，使學(xué)生具有一定的分析問題和解決問題的能力，走上工作崗位后不僅具有扎實的理論知識，而且具有較強(qiáng)的動手能力和創(chuàng)新意識。

［1］賈英杰，姚謙峰.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理（第二版）［M］.北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，2011.

［2］王運政.對《混凝土結(jié)構(gòu)》課程實施項目教學(xué)法的探究［J］.中國建設(shè)教育，2010，（Z6）.

［3］胡留現(xiàn)，劉宗發(fā)，楊俊森.數(shù)值模擬技術(shù)在本科工程力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.洛陽理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，（3）.

［4］［6］葉勇.談ANSYS 與《材料力學(xué)》課程教學(xué)的有機(jī)結(jié)合［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2005，（20）.

［5］［7］秦克麗.有限元分析軟件在材料力學(xué)仿真實驗中的應(yīng)用［J］.灌溉排水學(xué)報，2007，（S1）.

［8］李一帆，楊民獻(xiàn).數(shù)值模擬技術(shù)在材料力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.江蘇教育學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，（1）.

［9］趙維濤.有限元法基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［10］李炎鋒，林欣欣，孫曉龍，邢雪飛，劉閃閃.CFD 技術(shù)在暖通專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用實踐［J］.中國電力教育，2011，（30）.