浅谈ANSYS 在开放教育混凝土结构设计原理课程教学中的应用

王正一

（河南广播电视大学，郑州 450008）

一、混凝土结构设计原理课程教学现状

《混凝土结构设计原理》是电大开放教育土建类本科专业的一门基础课，课程内容包括混凝土结构的基本设计原理和常见结构构件的计算方法，构造要求等，是理论和实践结合非常紧密的一门课程［1］。其主要目的是培养学生掌握混凝土结构构件设计的基本原理和计算方法。本课程是《混凝土结构设计》与《桥梁工程》的先修课程，主要讲授混凝土结构基本构件的设计原理，为学习混凝土结构设计、毕业设计打下基础。本课程的先修课程为《土木工程力学（本）》。通过本课程的学习力求达到以下教学效果：（1）使学生能够掌握常见结构构件的基本概念和设计原理；（2）重点掌握常见结构构件的计算方法和构造要求；（3）讲授本课程，要求思路清晰、前后连贯、重点明确，并做到使教材内容与现行规范的统一。建筑结构试验、建材试验等试验及实践课程要与本课程的理论知识相联系，通过多途径多方法使学生学好这门课［2］。

由于开放教育课程的教学特点，学生主要通过收看电视、IP 课件、直播课堂、网上教学辅导等方式进行自主学习，学生很少上面授课，实验课几乎没有，再加上混凝土结构设计原理实验课所需的实验设备通常价格不菲，且消耗的材料较多，即使有实验课，实验的内容也比较简单，尺寸较大或结构复杂的构件就很难实现，不利于提高学生的动手能力和培养学生的创新能力，必然会影响本课程的教学水平，影响学生的整体学习效果［3］。因此必需要进行改革，使这门课程的教学与开放大学教育相适应，与工程实际相结合。一方面在常规教学媒体文字教材、IP 课件、录象教材等基础上推陈出新，另一方面将混凝土结构设计原理的教学与数值仿真技术紧密结合，把开放教育利用现代信息技术远程教学的优势充分发挥出来，使学生具有一定的分析问题和解决问题的能力，走上工作岗位后不仅具有扎实的理论知识，而且具有较强的动手能力和创新意识。

二、教学中应用ANSYS的优势

ANSYS 是融结构、流体等于一体的大型通用有限元软件，具有功能强大的前后处理及计算分析能力，已应用于多个领域［4］，目前很多高校已经将ANSYS 作为本科或研究生的必修课程。依据远程开放教育学生的具体情况，在混凝土结构设计原理课程的教学过程中，适当利用ANSYS的强大功能，把混凝土结构设计原理的教学与ANSYS的数值模拟技术结合起来，可以减轻本课程的学习难度，提高学生的学习兴趣，从而可以提高学生的学习积极性和分析创新能力，增强教学效果。

混凝土结构设计原理的最大特点是内容多、涉及面广、经验强、公式多、符号多、构造规定多、实践性强，初学者学起来较为吃力。如混凝土结构课程的教学内容包括材料性能、设计方法、各类构件的受力性能（拉压弯剪扭）及其计算方法和配筋构造等，涉及内容非常广泛，既有理论推导，又有实验研究，同时还与规范、工程实际联系密切，因此教学难度较大，并且这门课程所用的符号和公式非常多，设计公式的推导过程较复杂，如在对轴心受压柱的正截面承载力设计公式推导时，由于学生对实际的破坏过程不是很了解，从而增加了对设计原理和设计公式的理解难度。如果通过ANSYS的特定功能，可将抽象难解的理论转化为形象易懂的图像。同时借助于ANSYS的强大功能，还可以使轴心受压柱的加载破坏过程以动画的形式清晰直观地展现给学生，并且对于每一加载点对应的数据如应力、应变、变形等都能看到，必定有助于减轻本课程的学习难度，提高学生的学习兴趣，从而可以提高学生的学习积极性和分析创新能力，增强教学效果。而且同时还可以提高学生的计算机应用能力，特别是对于在职学生的实际工作能力，一定会有很大的提高。

三、数值模拟系统的实现

1.ANSYS 数值模拟系统的特点。ANSYS 数值模拟系统主要采用powerpoint 多媒体软件编写制作，使用Photoshop7.0等软件进行图像和图形的处理，采用coredraw 或3Dmax 软件制作部分动画，ANSYS 数值模拟软件能够自动生成大部分图像、图形及动画。ANSYS 数值模拟技术可与混凝土结构设计原理的教学过程紧密结合，把开放教育利用现代信息技术远程教学的优势充分发挥，便于学生自学。本系统的特色是界面简洁、图像形象和动画生动［5］。通过ANSYS 数值模拟技术把实验的原理、操作步骤和实验过程以静态或动态的画面展现出来，学生不仅对实验结果有了清晰的认识，更重要的是对理论知识有了深刻的理解。

2.ANSYS 数值模拟系统的组成。ANSYS 数值模拟系统由实验基本原理、实验模型组成、实验过程演示、实验要点分析四个模块组成。实验原理介绍模块主要包括钢筋混凝土结构构件的实验目的、基本原理；实验模型组成模块主要介绍实验模型的基本构成、主要程序；实验过程演示模块由钢筋混凝土板的应力集中演示、钢筋混凝土梁的弯曲变形演示、钢筋混凝土柱的受压变形演示等组成；实验要点分析模块是在模拟过程中对结构构件内部所产生的应力、应变，挠度等力学性质的分析［6］。

四、ANSYS 在混凝土结构设计原理教学中的具体应用

借助于ANSYS 强大的处理功能，可形象地模拟钢筋混凝土常见结构构件的受力分析和破坏过程。对于混凝土结构设计原理中的梁、板、柱等结构构件的受力分析时内部各截面甚至各点上的应力、应变等都可以清晰地表示出来，同时还能将结构构件如梁受力破坏时钢筋和混凝土的破坏过程形象生动地表达出来［7］。加深了学生对本课程学习时的直观印象，教学效果也得到了明显的提高。

1.简支梁弯曲正应力分布模拟。

通过数值模拟结果，可以清晰地看出来钢筋混凝土简支梁受力弯曲时，横截面的正应力是沿截面高度呈线性分布的。最大应力在上、下边缘处，最小在中性轴处，跨中挠度最大。如图2 所示。因此，钢筋混凝土梁在设计时，可以将材料集中在梁的上下边沿，适当减少中和轴附近的混凝土，这样不仅节省材料，而且受力更合理［8］。

2.平板应力集中现象的模拟。

应力集中是指由于构件外形、截面尺寸突然变化而引起局部应力急剧增大的现象。如在厨房卫生间等有管道穿过的钢筋混凝土板，或开有门窗洞口的钢筋混凝土墙等。图3 为钢筋混凝土板应力集中的计算模型，图4 是钢筋混凝土板在中部开圆口情况下的应力集中现象的模拟结果，从图中可以直观地看出在开孔位置应力增大的现象［9］。

图1 简支梁弯曲计算模型

图2 简支梁弯曲正应力分布

图3 平板应力集中计算模型

图4 开口平板应力分布

图5 圆轴扭转计算模型

图6 圆轴扭转剪应力分布

3.圆形截面纯扭构件应力分布模拟。

圆轴扭转变形后，各横截面仍然保持为平面，其形状，大小不变，半径仍为直线，只是绕轴线转过了一个角度，此即扭转问题中的平面截面假设［10］。由于扭转变形时相邻横截面之间的距离不变，整个圆轴没有伸长或缩短，即线应变，所以在横截面上没有正应力产生。由于纵向线的倾斜，使圆轴表面上的小矩形都发生了歪斜而变成了平行四边形，这说明相邻两个横截面之间产生了相对的平行错动（如图5 所示）。由于两横截面间的错动而产生的倾斜角就是剪应变。由此可知，在横截面上必定有剪应力存在。又因为每一个小矩形的剪应变都等于，可见每个小矩形必受到相同的剪应力作用，也就是说，在横截面的圆周上各点的剪应力都是相等的。由于横截面的半径长度不变，故横截面上没有径向剪应力，只存在与半径方向垂直的圆周方向的剪应力（如图6 所示）。

五、结语

将混凝土结构设计原理的教学与数值仿真技术紧密结合，把开放教育利用现代信息技术远程教学的优势充分发挥，通过ANSYS的特定功能，可将抽象难解的混凝土结构设计原理转化为形象易懂的图像。同时借助于ANSYS的强大功能，还可以使钢筋混凝土结构构件的加载破坏过程以动画的形式清晰直观地展现给学生，并且对于每一加载点对应的数据如应力、应变、变形等都能看到，必定有助于减轻本课程的学习难度，提高学生的学习兴趣，从而可以提高学生的学习积极性和分析创新能力，增强教学效果。而且还可以提高学生的计算机应用能力，特别是对于在职学生的实际工作能力，一定会有很大的提高，使学生具有一定的分析问题和解决问题的能力，走上工作岗位后不仅具有扎实的理论知识，而且具有较强的动手能力和创新意识。

［1］贾英杰，姚谦峰.混凝土结构设计原理（第二版）［M］.北京：中央广播电视大学出版社，2011.

［2］王运政.对《混凝土结构》课程实施项目教学法的探究［J］.中国建设教育，2010，（Z6）.

［3］胡留现，刘宗发，杨俊森.数值模拟技术在本科工程力学课程教学中的应用［J］.洛阳理工学院学报（自然科学版），2009，（3）.

［4］［6］叶勇.谈ANSYS 与《材料力学》课程教学的有机结合［J］.科技情报开发与经济，2005，（20）.

［5］［7］秦克丽.有限元分析软件在材料力学仿真实验中的应用［J］.灌溉排水学报，2007，（S1）.

［8］李一帆，杨民献.数值模拟技术在材料力学课程教学中的应用［J］.江苏教育学院学报（自然科学版），2010，（1）.

［9］赵维涛.有限元法基础［M］.北京：科学出版社，2009.

［10］李炎锋，林欣欣，孙晓龙，邢雪飞，刘闪闪.CFD 技术在暖通专业教学中的应用实践［J］.中国电力教育，2011，（30）.