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在職工程碩士論文:數(shù)值仿真技術在建筑力學教學中的應用

來源:網(wǎng)絡整理時間:2019-02-28 10:05 96次

摘要:摘要 :在建筑力學教學改革實踐中,引入數(shù)值仿真技術為力學教學提供多樣化的手段。通過力學授課過程中將數(shù)值仿真技術與傳統(tǒng)教學方式相結合,有效激發(fā)學生學習興趣,提高教學效果。實踐結果表明:數(shù)值仿真技術可以為學生提供理論聯(lián)系工程實踐的平臺,為從事專業(yè)工作打下基礎。 關鍵詞 :建筑力學;教學;數(shù)值仿真 建筑力學是土木工程專業(yè)的一門技術基礎課程,在土木工程教學中的地位尤為重要。如何讓學生理解建筑結構中的力學體系,靈活運用基礎知識分析結構的組成、 受力及變形特點是當前教學中的難點。傳統(tǒng)的教學方式主要以板書講解和力學實驗演示為主,并配以相應的習題,這造成教學方式單一,教學內(nèi)容枯燥,學生易產(chǎn)生 視覺疲勞感,失去學習興趣,降低學習效率。 建筑力學包括理論力學、材料力學和結構力學,三種力學知

 摘要:在建筑力學教學改革實踐中,引入數(shù)值仿真技術為力學教學提供多樣化的手段。通過力學授課過程中將數(shù)值仿真技術與傳統(tǒng)教學方式相結合,有效激發(fā)學生學習興趣,提高教學效果。實踐結果表明:數(shù)值仿真技術可以為學生提供理論聯(lián)系工程實踐的平臺,為從事專業(yè)工作打下基礎。
  關鍵詞:建筑力學;教學;數(shù)值仿真
   建筑力學是土木工程專業(yè)的一門技術基礎課程,在土木工程教學中的地位尤為重要。如何讓學生理解建筑結構中的力學體系,靈活運用基礎知識分析結構的組成、 受力及變形特點是當前教學中的難點。傳統(tǒng)的教學方式主要以板書講解和力學實驗演示為主,并配以相應的習題,這造成教學方式單一,教學內(nèi)容枯燥,學生易產(chǎn)生 視覺疲勞感,失去學習興趣,降低學習效率 。
  建筑力學包括理論力學、材料力學和結構力學,三種力學知識點銜接密切。通過固有課時雖然能夠講 解基本原理和計算方法,但學生在工程中卻不能靈活運用所學解決實際問題,造成理論與實踐脫節(jié),形成應用間隙。為此,在教學過程中要不斷改革教學方法,引入 數(shù)值仿真(Numerical Simulation)技術,通過對典型建筑結構的數(shù)值模擬,將結構的受力、變形通過圖表、圖形、動畫等方式直觀地呈現(xiàn)給 學生,以此激發(fā)學生學習興趣,促進教學進步 。
  數(shù)值仿真技術是現(xiàn)階段發(fā)展較為完整的計算力學方法,它以計算機為手段,通過對實際問題的抽象 化模型建立,結合數(shù)值計算來獲取結構內(nèi)力和變形,并采用圖像顯示的方法,以云圖和圖表的方式展現(xiàn)計算結果,達到對工程問題和物理問題科學研究的目的。土木 工程領域數(shù)值計算方法包括有限單元法、有限差分法、邊界元法和有限體積法等,以這些數(shù)值方法為基礎開發(fā)的數(shù)值模擬軟件主要有ANSYS、ADNIA、 SAP2000、ABAQUS、FPEG和FLAC等 。數(shù)值模擬軟件的應用對于豐富建筑力學教學手段,提高教學效果,開拓思維,激發(fā)學生學習興趣有著積 極的作用,為學生畢業(yè)后從事工程結構領域相關工作打下了基礎。
  一、數(shù)值仿真實踐應用 
   (一)在結構動力學中的應用結構動力學是結構力學教學的難點,因此,在講解結構動力分析時可引人數(shù)值仿真環(huán)節(jié),為學生提供直觀的結構動力反應分析。地震的 作用往往使結構出現(xiàn)強度破壞,因此介紹地震作用下結構的受力狀態(tài)以及不同場地條件下結構的受力分析,有利于學生掌握結構動力學的實際應用,是與當前結構工 程中抗震領域研究相結合的典范實例。
  選取土木工程中以鋼結構為主要形式的輸電鐵塔,通過有限元分析軟件ANSYS分析結構的應力分布、振型 特點以及最大變形量。首先,建立結構的數(shù)值模型,將鐵塔簡化為桁架結構和剛架結構形式如圖1所示。通過映射網(wǎng)格技術對模型進行網(wǎng)絡剖分,從圖1可以看出模 型與實際結構基本相似。通過結構動力學中的時程分析法離散地震波,以瞬時荷載施加在結構上,計算結構的地震動力反應,計算結果如圖2所示。數(shù)值結果通過直 觀的變形云圖顯示,學生可以了解到以鋼結構為主要形式的輸電鐵塔在簡化為桁架體系和剛架體系時所獲得的結構內(nèi)力、變形的特點和區(qū)別。結構力學中桁架和剛架 的動力反應分析難點就可在實際工程問題中得以解決。
  (二)在材料靜力學中的應用材料力學主要研究桿件的強度、剛度和穩(wěn)定性,其中橫力彎曲及 變形撓度是學習的難點。利用數(shù)值仿真技術,考慮典型荷載分布因素的影響,通過數(shù)值模擬可以得到簡支梁橫力彎曲時撓度的變形圖。以常見的簡支梁為例,一種是 由鋼筋和混凝土兩種材料組成的矩形截面梁;一種是工業(yè)廠房中常見的工字型鋼梁。引入這樣截面類型的梁不僅與材料力學教材中單桿彎曲變形相似,而且與工程實 際梁的變形相統(tǒng)一。這樣學生可以更好地理解專業(yè)知識,增強實用性,為今后從事結構設計打下基礎。
  建立鋼筋混凝土簡支梁的計算模型并在兩端施加約束,有限元網(wǎng)格劃分和鋼筋骨架如圖3、圖4所示。混凝土以實體單元建立,受力鋼筋和周向箍筋以桿單元建立,通過靜力分析得到梁的應力分布和撓曲線形狀。工字型鋼受力變形分析如圖5所示。
  通過改變梁的受力方式和約束形式,分別施加分布荷載和集中荷載計算梁的應力,并將梁的變形過程以動畫形式展現(xiàn)給學生,吸引學生注意,激發(fā)學生學習自主性。
  二、教學效果檢驗 
  以調(diào)查問卷的形式,從學習興趣性、學習有效性、概念理解性和專業(yè)知識掌握程度等方面對引入數(shù)值仿真實踐環(huán)節(jié)授課效果進行檢驗,調(diào)查結果統(tǒng)計分析如表所示。
   從統(tǒng)計結果看,不同年級學生對數(shù)值仿真環(huán)節(jié)的引入有不同看法。二年級學生對該環(huán)節(jié)的認可度達到79% ,少數(shù)學生存在異議。少數(shù)學生對材料力學在土木工 程中的作用認識不清晰,不知道學習材料力學的目的是為了什么,如何應用力學原理解決問題。針對此,教師在講授過程中,特別是在導論課中一定要結合工程實 例,從實際出發(fā),讓學生對課程和今后將從事的工作有全局性的認識和理解。
  三年級學生認為該環(huán)節(jié)對學習有所幫助的比例占84.8% ,但仍有 15.2% 的人持不同意見。究其原因:一是部分學生畢業(yè)可能從事其他類工作,對專業(yè)課程不感興趣;二是前期基礎薄弱,引發(fā)后續(xù)課程脫節(jié),學生對結構力學 知識點不清晰,尤其是結構動力學部分。總體而言,大部分學生對此持支持態(tài)度,特別是準備考研的學生學習興趣濃厚,比例占學生總數(shù)的近5O% 。
  這些反饋的意見為教師在授課過程中及時掌握學生動態(tài),調(diào)整授課方案起到了積極的推動作用,有助于教師合理開展后續(xù)課程教學。
  三、教學方案修正 
   根據(jù)學生反饋信息,在前期調(diào)研的基礎上,我們適當調(diào)整了授課方案,開展了有利于提高教學效果的教學改革,并在實踐中加以論證。將數(shù)值仿真環(huán)節(jié)和傳統(tǒng)教學 方法相融合,合理穿插工程實例,完善教學方案,實現(xiàn)授課過程中教案的動態(tài)變化,以期為良好的教學發(fā)展服務,方案各環(huán)節(jié)調(diào)整流程如圖6所示。
 四、結語 
   如何激發(fā)學生學習興趣、引導學生自我思考,讓學生在有限的學時內(nèi)掌握力學基本原理是專業(yè)教師長期困惑的問題。數(shù)值仿真模擬是現(xiàn)階段解開疑惑的一種好的方 法。通過數(shù)值仿真環(huán)節(jié)的引入能夠推動教學的良性發(fā)展。在今后的教學工作中,我們不僅要注重理論的創(chuàng)新更要兼顧實踐的創(chuàng)新,讓學生在學習力學的同時,理解力 學在土木專業(yè)中的作用,在工程實踐中的應用。因此,在完善教學方案的同時,通過構建典型建筑物的結構模型并分析其應力與變形能更好的為學生學習后續(xù)相關專 業(yè)課程提供引導。
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  參考文獻: 
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  [4]常旭,張悅,藺海曉,張娟霞.數(shù)值模擬技術在建筑結構加固教學中的應用[J].現(xiàn)代教育技術,2010,20(5):l18—120.
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  [6]楊勇,郭子雄.數(shù)值模擬試驗在土木工程專業(yè)課程教學中的應用[J].高等建筑教育,2005,14(3):65—67.

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