虛擬仿真技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

于卓然

【摘 要】針對(duì)土木工程實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，闡述了當(dāng)前教學(xué)模式存在的問題。以吉首大學(xué)力學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為平臺(tái)，對(duì)“鋼筋混凝土梁正截面受彎性能實(shí)驗(yàn)”和“鋼桁架靜力加載實(shí)驗(yàn)”給出教學(xué)案例，獲得了學(xué)生的廣泛好評(píng)。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真;工程結(jié)構(gòu);實(shí)驗(yàn)教學(xué);信息化

中圖分類號(hào)： TP391.9?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）18-0147-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.070

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程是土木工程本科教學(xué)的重要組成部分，由于此類課程實(shí)踐性較強(qiáng)，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)就顯得尤為重要[1，2]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著無法克服的弱點(diǎn)，筆者根據(jù)湖南省教育廳《關(guān)于開展2016年省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（湘教通〔2016〕143號(hào)）精神，以吉首大學(xué)“力學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”為平臺(tái)，大力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新，提高工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果與質(zhì)量[3]。

1 土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

土木工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)與其他專業(yè)有所不同，往往具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）實(shí)驗(yàn)費(fèi)用昂貴。土木工程專業(yè)建造對(duì)象包括房屋、道路、隧道、橋梁、堤壩、給水排水以及防護(hù)工程等。港珠澳大橋主橋長(zhǎng)29.6千米，上海中心大廈總高632米，進(jìn)行這些建筑的實(shí)體實(shí)驗(yàn)幾乎是不可能的，即使是進(jìn)行縮尺實(shí)驗(yàn)，對(duì)于普通學(xué)校而言，仍然難以實(shí)現(xiàn)。

2）建造周期過長(zhǎng)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工周期一般較長(zhǎng)，我國(guó)港珠澳大橋耗時(shí)近10年才完成，一幢普通的住宅小區(qū)最快也需要1年的工期，學(xué)生在認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)的過程中很難了解全部的建設(shè)過程。

3）實(shí)驗(yàn)不可逆。土木工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)很多都是破壞性實(shí)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)一經(jīng)損壞，無法重復(fù)使用，這就對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)有極高的要求，不能出現(xiàn)任何偏差。

4）危險(xiǎn)系數(shù)高。工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)很多都是脆性破壞，例如鋼筋混凝土超筋梁和少筋梁的正截面受彎性能實(shí)驗(yàn)。此類實(shí)驗(yàn)破壞較突然，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)安全教育顯得十分重要。

5）實(shí)驗(yàn)難度大[4]。實(shí)際生活中工程結(jié)構(gòu)面臨的環(huán)境十分復(fù)雜，例如風(fēng)荷載，需要通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行模擬。這類實(shí)驗(yàn)操作難度較高，限于理論知識(shí)的匱乏，本科生往往難以達(dá)到實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)入要求。

2 教學(xué)現(xiàn)狀

吉首大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院經(jīng)過專業(yè)認(rèn)證改革之后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)課已獨(dú)立于理論課程單獨(dú)開課，成為土木工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的一個(gè)重要組成部分。該課程包括鋼筋混凝土超筋梁和少筋梁的正截面受彎性能實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土斜截面破壞實(shí)驗(yàn)、鋼筋混凝土柱偏心受壓實(shí)驗(yàn)和鋼桁架靜力加載實(shí)驗(yàn)等。

由于吉首大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中心尚未建設(shè)完成，專業(yè)學(xué)生只能觀摩教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。學(xué)生手動(dòng)記錄儀器儀表數(shù)據(jù)后撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種實(shí)驗(yàn)方式往往有以下弊端：1）大部分學(xué)生只能在一旁圍觀，無法獲得親自動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，外圍學(xué)生很難看到破壞全過程，例如中性軸位置的改變情況、裂縫及撓度的發(fā)展情況等，導(dǎo)致教學(xué)效果被嚴(yán)重削弱。2）學(xué)生記錄的只是離散的數(shù)據(jù)對(duì)，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的后期處理才能得到數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，比如荷載—應(yīng)變曲線等。3）在實(shí)驗(yàn)過程中，沒有辦法觀測(cè)到試件的宏觀狀態(tài)與微觀應(yīng)力的聯(lián)系，比如鋼筋的本構(gòu)和裂縫發(fā)展的關(guān)系等。

3 “鋼筋混凝土梁正截面受彎性能實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真教學(xué)案例

吉首大學(xué)“力學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”是湖南省教育廳28個(gè)重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一，它依托計(jì)算機(jī)技術(shù)高度還原實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，能讓學(xué)生深刻體會(huì)實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的受力機(jī)理，彌補(bǔ)了實(shí)踐教學(xué)的不足。

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)為Web端B/S架構(gòu)程序，可在微軟Windows操作系統(tǒng)下被遠(yuǎn)程/本地訪問，支持但不限于WINDOWS XP專業(yè)版32位、WIN7旗艦版32及64位環(huán)境。人機(jī)交互界面采用Windows操作風(fēng)格，對(duì)控制、命令和輸入方法都進(jìn)行了規(guī)范化，從而使操作者易于使用，經(jīng)過簡(jiǎn)單的培訓(xùn)就可上機(jī)操作。

3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1）掌握鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁靜力加載實(shí)驗(yàn)方法。2）掌握各儀器儀表的使用方法。3）觀察梁在分級(jí)加載過程中的破壞過程。4）校核簡(jiǎn)支梁的強(qiáng)度和剛度、鋼筋應(yīng)力變化情況、中性軸位置的改變情況、裂縫及撓度的發(fā)展情況等。

3.3 虛擬實(shí)驗(yàn)過程

在登錄框輸入姓名/學(xué)號(hào)之后，點(diǎn)擊“登錄”進(jìn)入。當(dāng)用戶進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)設(shè)定界面后，首先選擇構(gòu)件尺寸，如圖1所示。在系統(tǒng)的輸入框中分別輸入配筋率、混凝土強(qiáng)度和鋼筋強(qiáng)度等，同時(shí)下方也會(huì)出現(xiàn)“智能提示”按鈕，可以幫助用戶輸入，如圖2所示。用戶通過計(jì)算，求得理論數(shù)據(jù)，分別為：開裂荷載、極限荷載、開裂時(shí)鋼筋應(yīng)變、開裂時(shí)跨中撓度、鋼筋屈服時(shí)跨中撓度等，再一一對(duì)應(yīng)輸入。針對(duì)計(jì)算的結(jié)果，用戶可以對(duì)加載程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)結(jié)果輸入到系統(tǒng)之中，以進(jìn)行核對(duì)，如圖3所示。最后，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)用戶輸入的參數(shù)核對(duì)完畢時(shí)，允許進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。這時(shí)就可點(diǎn)擊“下一步”，場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)至混凝土制作演示界面。用戶可以自行點(diǎn)擊下一步，觀看混凝土制作過程，如圖4所示。

當(dāng)自動(dòng)漫游結(jié)束之后，進(jìn)入到虛擬實(shí)驗(yàn)界面，如圖5所示。該界面是本系統(tǒng)的核心界面，涉及到諸多操作和內(nèi)容顯示。界面上方，主要是用戶登錄信息，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，會(huì)以該信息作為索引輸出。界面下方，主要是實(shí)驗(yàn)耗時(shí)、步驟提示（當(dāng)期狀態(tài)）、數(shù)據(jù)記錄、操作日志等。當(dāng)用戶點(diǎn)開“數(shù)據(jù)記錄”后，會(huì)顯示出當(dāng)前實(shí)驗(yàn)進(jìn)度下已經(jīng)取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括應(yīng)變數(shù)據(jù)集、撓度數(shù)據(jù)集、裂縫數(shù)據(jù)集等，用戶可以點(diǎn)擊切換查看，如圖6所示。用戶也可以在實(shí)驗(yàn)過程中的任意時(shí)刻、任意階段點(diǎn)擊“操作記錄”查看自己的操作歷史，由此判斷自己的錯(cuò)誤率情況。

在用戶完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)，或者直接終止實(shí)驗(yàn)后，系統(tǒng)會(huì)跳轉(zhuǎn)至實(shí)驗(yàn)結(jié)果界面。該界面主要由系統(tǒng)通過智能分析操作數(shù)據(jù)、讀取結(jié)果和錯(cuò)誤次數(shù)等，綜合評(píng)判給予分?jǐn)?shù)，如7所示。為了方便用戶撰寫報(bào)告，用戶點(diǎn)擊“保存到桌面”按鈕，可以將數(shù)據(jù)下載保存，如圖8所示。

4 “鋼桁架靜力加載實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真教學(xué)案例

桁架（truss），是由直桿組成的一般具有三角形單元的平面或空間結(jié)構(gòu)。在荷載作用下，桁架桿件主要承受軸向拉力或壓力，從而能充分利用材料的強(qiáng)度，在跨度較大時(shí)可比實(shí)腹梁節(jié)省材料，減輕自重和增大剛度，故適用于較大跨度的承重結(jié)構(gòu)和高聳結(jié)構(gòu)。

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1）掌握桁架結(jié)構(gòu)靜力加載實(shí)驗(yàn)的過程和方法。2）掌握應(yīng)變和撓度測(cè)量?jī)x器的安裝和使用方法。3）掌握數(shù)據(jù)處理分析和結(jié)構(gòu)性能評(píng)定的方法，解決工程實(shí)際問題。

4.2 虛擬實(shí)驗(yàn)過程

在登錄框輸入姓名/學(xué)號(hào)之后，點(diǎn)擊“登錄”進(jìn)入設(shè)置界面。設(shè)置界面包含五項(xiàng)：結(jié)構(gòu)尺寸及加載、構(gòu)件選擇、材料強(qiáng)度、加載程序設(shè)計(jì)和構(gòu)件測(cè)試組。用戶自行輸入跨度、高度、構(gòu)件規(guī)格、材料強(qiáng)度和荷載大小，如圖9所示。設(shè)置完成后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面，整個(gè)頁面主要由頁面上欄，底欄的UI和頁面中央的三維場(chǎng)景組成，如圖10所示。

用戶按照實(shí)驗(yàn)手冊(cè)的說明安放好相關(guān)儀器設(shè)備后，點(diǎn)擊千斤頂起壓器開始加載，位移、應(yīng)變可以在百分表和應(yīng)變儀中顯示出來，如圖11所示。學(xué)生需要對(duì)比虛擬加載實(shí)驗(yàn)值和理論計(jì)算值，結(jié)果頁面會(huì)根據(jù)計(jì)算誤差給出評(píng)分，如圖12所示。

5 結(jié)論

虛擬仿真技術(shù)具有成本低、效率高、可重復(fù)等特點(diǎn)[5]，依托計(jì)算機(jī)技術(shù)，高度還原了真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，為學(xué)生開展自主實(shí)驗(yàn)提供了友好開放的平臺(tái)，彌補(bǔ)了實(shí)踐教學(xué)的不足。通過問卷調(diào)查，上述虛擬實(shí)驗(yàn)方法使學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)有了更深刻的理解，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)理論課程的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生科研和解決實(shí)際工程問題的能力。

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