有限元二次開發(fā)在大創(chuàng)項(xiàng)目及教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐★

竇 超,秦偉良，張長春，王文琦，楊 娜

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044; 2.北京交通大學(xué)土木工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京 100044)

0 引言

在國家教育部的大力倡導(dǎo)下，大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項(xiàng)目已成為北京交通大學(xué)重要的學(xué)生科技活動平臺，每年有大量本科生踴躍參與[1-3]。大創(chuàng)項(xiàng)目的主旨在于，讓本科學(xué)生在教師的指導(dǎo)下使用科學(xué)的研究方法，獨(dú)立地對某一問題進(jìn)行探索，形成研究計劃、報告及成果，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)熱情，擴(kuò)展其思維深度和廣度，增強(qiáng)其創(chuàng)新能力，為學(xué)生后續(xù)的課程學(xué)習(xí)、科研深造及崗位工作打下良好的基礎(chǔ)[4-5]。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程是北京交通大學(xué)土木工程專業(yè)的核心課程。為響應(yīng)國家的培養(yǎng)適應(yīng)創(chuàng)新型國家建設(shè)所需高水平創(chuàng)新人才的號召，在保證掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識的前提下，提升學(xué)生的專業(yè)能力和科學(xué)素養(yǎng)，一直是課程組多年來教學(xué)改革的重點(diǎn)[6]。然而筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)的知識點(diǎn)尤其是穩(wěn)定問題的相關(guān)概念，與學(xué)生先入為主的“強(qiáng)度問題”相比比較抽象，且課本或講義缺乏生動直觀的演示和案例教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生對穩(wěn)定現(xiàn)象缺乏直觀感受和深層次理解。另一方面，由于有限元分析手段在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題中廣泛應(yīng)用，部分學(xué)有余力的同學(xué)反映想要了解更多有限元軟件的知識和技能。

鑒于上述問題，筆者借助大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項(xiàng)目的平臺，將本科生創(chuàng)新訓(xùn)練與鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)連接起來，在大創(chuàng)項(xiàng)目中培養(yǎng)學(xué)生的科研思維和技能，形成創(chuàng)新性成果，同時讓大創(chuàng)成果走進(jìn)課堂，服務(wù)于教學(xué)，實(shí)現(xiàn)大創(chuàng)項(xiàng)目與課程教學(xué)的聯(lián)動。本文詳細(xì)介紹了大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項(xiàng)目的構(gòu)思、選題與實(shí)施情況，以及采用大創(chuàng)成果進(jìn)行輔助教學(xué)的效果，并對取得的經(jīng)驗(yàn)和存在的問題進(jìn)行了總結(jié)。

1 大創(chuàng)項(xiàng)目的選題

1.1 選題的關(guān)鍵問題

選題是大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項(xiàng)目的關(guān)鍵。大創(chuàng)項(xiàng)目的宗旨在于，在校本科生在指導(dǎo)下獨(dú)立地對某一科學(xué)技術(shù)問題進(jìn)行探索，因此選題既要體現(xiàn)創(chuàng)新性，也要具備可行性。由于面向?qū)ο鬄樵谛１究粕?，因此這里的可行性是指選題和內(nèi)容要與本科生已有的知識基礎(chǔ)儲備相符合，學(xué)生努力“跳一跳”要能“夠得到”。如果為了一味追求創(chuàng)新性，項(xiàng)目選題過難過深，往往會導(dǎo)致學(xué)生難以按照預(yù)定計劃實(shí)現(xiàn)預(yù)想目標(biāo)，產(chǎn)生畏難情緒，無法獲得足夠的參與感，最終不得不草草結(jié)題。

大創(chuàng)項(xiàng)目立項(xiàng)時，參與的土木工程專業(yè)本科生多處于大二階段，正在學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)等力學(xué)基礎(chǔ)課，而混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程還未開始，因此還不具備進(jìn)行深入科學(xué)研究的知識儲備和專業(yè)能力，因此大創(chuàng)項(xiàng)目選題不同于科研基金項(xiàng)目或研究生論文選題，如何讓其既有科研探索性，又能讓本科生獨(dú)立實(shí)施，是需要仔細(xì)考慮的。筆者在大創(chuàng)項(xiàng)目評審時發(fā)現(xiàn)，很多優(yōu)秀選題充分考慮到本科生的特點(diǎn)，做到了既有探索性、新穎性，又無需借助太過高深的理論知識或計算分析，讓學(xué)生體驗(yàn)科研探索的過程和科研思維方法，而不是強(qiáng)調(diào)運(yùn)用高深技術(shù)手段和理論知識[7]。它們中多數(shù)通過設(shè)計小型實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場測試，觀察對比某一工程現(xiàn)象，進(jìn)而分析總結(jié)得到結(jié)論，借助的手段也是一些易于上手的分析軟件。例如，“基于智能手機(jī)對車載振動與噪聲測試的軌道質(zhì)量狀態(tài)評價方法”項(xiàng)目，采用智能手機(jī)及現(xiàn)有振動及噪聲數(shù)據(jù)分析軟件(具有友好交互式功能，易于掌握)，方便地進(jìn)行現(xiàn)場測試，對不同工程情況下的大量測試結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)提煉出評價方法，在這個過程中學(xué)生能夠作為主體參與項(xiàng)目計劃、實(shí)施、調(diào)整和總結(jié)的整個過程，培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際問題的能力。相反，部分項(xiàng)目直接將研究生課題的一部分(例如大型試驗(yàn)或復(fù)雜有限元數(shù)值分析)作為大創(chuàng)選題，由于項(xiàng)目成員(本科生)尚不具備進(jìn)行復(fù)雜研究的能力，實(shí)施過程中往往只是在幫研究生“打下手”，雖然有所收獲但并未達(dá)到大創(chuàng)項(xiàng)目的訓(xùn)練初衷。

1.2 本項(xiàng)目的選題

筆者在進(jìn)行此次大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項(xiàng)目申請時，曾有三個備選題目，分別為“新型波折組合鋼板墻滯回試驗(yàn)及抗震性能研究”“高速鐵路車站雨棚鋼結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)狀及對策”，以及“基于ANSYS二次開發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺建設(shè)”。第一個選題是國家自然科學(xué)基金研究的一部分，具有很好的創(chuàng)新性，但需要參與者具備扎實(shí)的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論和抗震知識，以及大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的相關(guān)技能，同時會使用專業(yè)有限元軟件進(jìn)行分析計算。顯然，大二或大三本科生是不具備這些基本能力的，可以預(yù)見項(xiàng)目實(shí)施將主要依靠研究生進(jìn)行。第二個選題具有鮮明的專業(yè)特色，并且瞄準(zhǔn)了實(shí)際工程中的關(guān)鍵問題，具有很好的工程應(yīng)用價值，但需要開展多次全國范圍內(nèi)高鐵客站的調(diào)研工作，作為本科生時間上很難平衡，且項(xiàng)目執(zhí)行成本較大。

通過比較，最終選定第三個題目“基于ANSYS二次開發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺建設(shè)”，并獲得了資助。這個選題具有以下幾方面的優(yōu)勢：

1)基于通用有限元軟件進(jìn)行虛擬仿真平臺建設(shè)，具有一定的新穎性和可操作性，符合本科生創(chuàng)新訓(xùn)練的目的[8-10]。2)項(xiàng)目實(shí)施主要采用有限元軟件ANSYS自帶的APDL和UIDL面向?qū)ο缶幊陶Z言，容易上手，所開發(fā)的課程演示案例在理論上難度適中，本科生在指導(dǎo)下通過自主學(xué)習(xí)完全能夠開展實(shí)施。3)通用有限元軟件入門門檻較高難以使用，而本項(xiàng)目通過二次開發(fā)，為本科生提供方便實(shí)用的專業(yè)軟件應(yīng)用平臺，因此很好地將大創(chuàng)項(xiàng)目與課程教學(xué)需求結(jié)合起來，項(xiàng)目成果能夠落地，具有較高的應(yīng)用價值。4)通過項(xiàng)目訓(xùn)練，項(xiàng)目組成員能夠在有限元理論與基本操作、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定知識等專業(yè)能力方面獲得較大提升，同時培養(yǎng)其任務(wù)規(guī)劃、團(tuán)隊合作、溝通交流的能力。

2 本項(xiàng)目的實(shí)施

如圖1所示，針對當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中缺乏生動立體的輔助教學(xué)手段的問題，本項(xiàng)目基于通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，建立鋼結(jié)構(gòu)課程的數(shù)字化虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺，即采用UIDL和APDL語言，創(chuàng)建模塊化的交互用戶圖形界面，針對典型鋼結(jié)構(gòu)案例對象，實(shí)現(xiàn)參數(shù)定義與修改、有限元模型建立、加載求解、結(jié)果的圖形或動畫輸出等功能。在此平臺上，使用者可通過向?qū)胶徒换ナ讲僮鳎瑢?jīng)典鋼結(jié)構(gòu)問題及新型鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性能有全方位的理解，并能自行改變關(guān)鍵參數(shù)以了解其影響規(guī)律，從而加深對鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)概念的認(rèn)識，促進(jìn)課程的學(xué)習(xí)。

具體內(nèi)容包括：

1)優(yōu)選典型鋼結(jié)構(gòu)案例，建立知識庫構(gòu)架。結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程，選取軸心受壓柱的特征值屈曲和大撓度彈塑性失穩(wěn)、鋼梁的彎扭失穩(wěn)、板件的局部失穩(wěn)等問題，設(shè)計成典型案例[11]。另一方面，將新型鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件加入平臺，并提供配套的學(xué)習(xí)資料，包括預(yù)應(yīng)力撐桿柱、張弦梁、波形腹板梁、鋼板剪力墻、防屈曲支撐等，這些例子反映了科研和工程應(yīng)用前沿，同時又是普通鋼柱、鋼梁的延伸和發(fā)展，學(xué)生可由此感受和理解結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的思想與方法，增長見識，提升學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)熱情。

2)基于APDL和UIDL開發(fā)用戶自定義模塊，形成仿真模擬平臺。包括創(chuàng)建交互式用戶圖形界面、編寫后臺求解程序及輸出結(jié)果圖形、數(shù)據(jù)和動畫等。其中，基于UIDL的用戶圖形界面要具備友好性、交互性和引導(dǎo)性，實(shí)現(xiàn)知識點(diǎn)講解、參數(shù)輸入及提示、結(jié)果展示等功能。計算分析程序采用APDL編寫，形成宏命令供圖形界面調(diào)用，完成后臺建模、計算和后處理。以圖2所示的預(yù)應(yīng)力撐桿柱案例模塊為例，使用者無需具備ANSYS軟件的使用技能，即可依靠平臺向?qū)А⒔换ナ降赝瓿蓳螚U柱的參數(shù)化建模、分析和結(jié)果查看，并可自行改變構(gòu)件尺寸等關(guān)鍵參數(shù)，觀察屈曲模態(tài)及承載力的變化，從而直觀地對其穩(wěn)定特性有深入認(rèn)識。

3)編制數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺使用手冊和二次開發(fā)教程。使用手冊包括平臺介紹、操作步驟和說明，還包含了對應(yīng)的課程知識點(diǎn)、穩(wěn)定基本理論和有限元方法基本原理等；二次開發(fā)教程詳細(xì)介紹了采用UIDL語言定制GUI的二次開發(fā)技術(shù)。這些手冊、教程等文檔資料為使用者提供了豐富的學(xué)習(xí)資源，學(xué)生不僅可以使用此平臺，而且可以在文檔資料基礎(chǔ)上，加深對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的理解，以及開發(fā)自己的分析模塊，獲得更多專業(yè)知識和能力的提升。

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，筆者僅提供總體規(guī)劃和相關(guān)指導(dǎo)，而學(xué)生作為主體獨(dú)立地完成所有ANSYS軟件二次開發(fā)和文檔編制工作。由于學(xué)生并沒有此方面的基礎(chǔ)，前期花費(fèi)了大量時間自學(xué)APDL和UIDL二次開發(fā)語言。其中，APDL語言主要實(shí)現(xiàn)后臺分析計算功能，無論是書籍還是多媒體學(xué)習(xí)資源都比較豐富，因此相對容易上手，但后者的相關(guān)資料很少。項(xiàng)目組成員將案例模塊的功能進(jìn)行分類，在少量網(wǎng)絡(luò)資源的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量的摸索和嘗試，逐個實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能，例如菜單欄、對話框生成，參數(shù)定義和傳遞，計算控制及結(jié)果輸出等功能。可以說，學(xué)生從零基礎(chǔ)開始，逐步完成了整個虛擬仿真平臺的建立，獲得了全面的鍛煉和提升。

3 大創(chuàng)成果進(jìn)課堂

如前所述，本大創(chuàng)項(xiàng)目另一個重要目的在于將項(xiàng)目研究與課程教學(xué)結(jié)合起來，發(fā)揮項(xiàng)目建成的虛擬仿真平臺的輔助教學(xué)作用。針對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定知識較為抽象的問題，基于有限元軟件的交互式虛擬仿真平臺讓學(xué)生親自動手進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬分析，增加其親身體驗(yàn)感，加強(qiáng)直觀認(rèn)識，與課本上的理論公式進(jìn)行對比，從而對知識點(diǎn)的理解更為透徹(見圖3)。

在最近一期“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”課堂上，筆者嘗試在軸心受壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件和板件局部屈曲等相關(guān)章節(jié)中，通過虛擬仿真平臺對各種穩(wěn)定問題進(jìn)行課堂演示，通過圖形、曲線或動畫等讓學(xué)生直觀看到構(gòu)件的失穩(wěn)形式、破壞過程及主要參數(shù)影響規(guī)律。例如，在講述軸心受壓柱穩(wěn)定性時，提到“約束柱子彎曲變形能夠有效提高其穩(wěn)定承載力”這一規(guī)律。為了幫助理解，給出預(yù)應(yīng)力撐桿柱的工程實(shí)例、簡化模型和受力機(jī)理，如圖3(a)所示。在此基礎(chǔ)上，在虛擬仿真平臺中建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，賦予不同的撐桿長度，獲得其屈曲變形和承載力的變化?？梢钥吹剑S著撐桿長度的增加，撐桿柱由單波失穩(wěn)過渡到S形雙波失穩(wěn)，屈曲荷載顯著提升，可達(dá)到單獨(dú)柱子的6.8倍。有了這一定量的結(jié)果對比，學(xué)生便能夠?qū)Υ朔€(wěn)定規(guī)律和結(jié)構(gòu)形式留下深刻印象，并從中體會工程結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的思想和方法。再比如，鋼構(gòu)件的板件局部屈曲一直是教學(xué)中的難點(diǎn)，僅憑課件中平面示意圖很難讓學(xué)生理解屈曲波形數(shù)目隨板件寬高比的變化規(guī)律。在虛擬仿真平臺中，可方便地親自操作獲得不同情況下板件屈曲變形的三維圖像，同時可將屈曲荷載結(jié)果與理論公式進(jìn)行對比，從而加深對此問題的認(rèn)識(見圖4)。

虛擬仿真平臺輔助教學(xué)的引入，一方面方便了教師對相關(guān)知識點(diǎn)的講解，不再僅限于枯燥的文字和公式，另一方面激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和專業(yè)興趣，提升了學(xué)習(xí)的主動性。在課程期末反饋中，有80%的學(xué)生(共41人)對此教學(xué)手段給予了肯定，其中還有4名學(xué)生由此對有限元方法和軟件產(chǎn)生興趣，并在課下花時間自學(xué)ANSYS軟件并已掌握基本操作方法。這表明，大創(chuàng)成果進(jìn)課堂取得了一定成效，達(dá)到了本項(xiàng)目的初衷。

4 結(jié)語

結(jié)合開展的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，對大創(chuàng)項(xiàng)目的選題和實(shí)施情況進(jìn)行了介紹和討論，并將大創(chuàng)成果作為輔助教學(xué)手段引進(jìn)課堂，取得了較為明顯的訓(xùn)練和教學(xué)效果：1)大創(chuàng)項(xiàng)目的選題應(yīng)兼顧創(chuàng)新性和可行性，要考慮本科生的現(xiàn)有知識儲備基礎(chǔ)，選擇合適的題目使其能夠自主地順利完成既定目標(biāo)。這樣，項(xiàng)目成員才能夠最大程度地得到全方位鍛煉。2)本大創(chuàng)項(xiàng)目將有限元二次開發(fā)與科研能力培養(yǎng)相結(jié)合，并與課程教學(xué)鏈接，使項(xiàng)目既具有新穎性、可行性，又具有持久的實(shí)用價值。3)在鋼結(jié)構(gòu)課程中引入大創(chuàng)項(xiàng)目開發(fā)的虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺，提供了直觀的輔助教學(xué)手段，促進(jìn)了學(xué)生對概念的理解，更重要的是提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和專業(yè)興趣，激發(fā)了內(nèi)在的能動性。