数值仿真技术在《基础工程》教学改革中的应用

杨庆年++李伟伟

摘要：通过一个具体实例，详细介绍了数值仿真技术软件在课程教学过程中的应用情况，通过引入先进的数值仿真技术使比较难以理解的基础工程理论知识更加形象化、直观化，增强学生对基础工程理论的理解，培养学生的学习兴趣和数值模拟能力，同时提高了教学质量，改善了当前《基础工程》课程教学中枯燥乏味的局面。

关键词：基础工程；数值仿真；ANSYS；教学

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2018）02-0264-02

《基础工程》这门课程作为土木工程专业的必修课之一，在土木工程技术领域占有极其重要的地位，这门课程的历史沿革同土木工程专业的发展是紧密相连的[1]。由于该门课程教学内容多，涉及范围广，综合性、实践性强，规范条文多等特点导致该门课程教学难度大。传统的教学方式主要以板书讲解为主，并配以相应的习题，这造成教学方式单一，学生易产生视觉疲劳感，降低学习效率。因此，在教学过程中要不断改革教学方法。随着科技的发展，大力推行计算机辅助教学，引入数值仿真技术，通过对结构的数值模拟，将结构的受力、变形通过图表、图形、动画等方式直观地呈现给学生，以此激发学生学习兴趣，促进教学进步[2]。

一、数值仿真应用于基础工程教学中的优势

数值仿真技术是现阶段发展较为完整的计算力学方法，它以计算机为手段，通过对实际问题建立抽象化模型，结合数值计算来获取结构内力和变形，并采用图像显示的方法，以云图和图表的方式展现计算结果，達到对工程问题和物理问题科学研究的目的。本文作者在教授《基础工程》课程的过程中，主要根据学生的实际情况，把NSYS的计算和分析方面的优势充分运用到课程中，并与ANSYS的数值仿真技术充分融合，可以大大促进学生分析和创新能力的提升同时也使教学效果大大提高，激发了学生学习的积极性。

（一）直观化教学，有利于学生对基本理论知识的理解

《基础工程》课程内容多、涉及面广、经验强、公式多、构造规定多、实践性强，初学者学起来较为吃力。比如，在讲授单桩轴向荷载的传递机理时，学生需要掌握施加于桩顶的竖向荷载是如何通过桩—土相互作用传递给地基，以及单桩是怎么达到承载力极限状态的基本概念。对于这些内容，传统教学方法单纯通过教师口头讲解和板书绘图，不易于学生理解，导致学生普遍感到基础工程课程理论枯燥、难懂。而ANSYS具有直观形象的图形显示功能，可将抽象的应力、应变、位移等数据转化为形象生动的图形，这将有助于提高学生的形象思维能力，帮助学生理解教材内容，并培养学生们分析结构的能力[4]。

（二）引入数值仿真，有利于培养学习兴趣、开拓思维

作为专业课程，《基础工程》的发展与现代科技的发展是紧密相连的。比如，常规设计方法是把地基、基础和上部结构分开计算，计算上部结构时不考虑基础刚度及地基变形对其产生的影响；计算基础时也不考虑上部结构形式及其刚度的影响，这样所得的结果是基础设计偏于保守，造成基础材料的浪费，而上部结构则可能偏于不安全。由于常规设计方法的局限性，1947年，Meyerhof提出基础与上部结构共同工作的概念[5]。随着计算机科学技术的发展，利用数值分析方法分析系统的受力性能，分析结果准确、适用性强[6]。引入数值仿真技术的教学方式，可以扩大学生的眼界，扩展学生的知识面，使其熟练地掌握和应用计算软件，从而能培养学生理论与实践相结合的能力。

二、数值仿真在基础工程教学中的具体应用

建筑桩基础在进行设计时，需要满足三个方面的要求：强度、变形及上部结构的其他要求。此部分内容是本课程教学中的重点、难点。教材采用以分项系数表达的两种极限状态设计表达式进行计算。本文引入新的教学手段，借助于数值仿真软件，建立有限元模型，开展了对桩基设计的数值模拟。

（一）数值仿真计算过程

1.结构离散化，将需要分析的结构分割成数个单元体。

2.选择合适的位移差值函数。

3.分析单元的力学特性。

4.建立所有单元的平衡方程，组成整体结构的平衡方程。

5.由平衡方程组求解节点的未知位移，然后计算相应的应力和应变，最后计算出用于设计的内力和变形值。

（二）计算实例及结果分析

1.计算实例。假设承台桩基础断面尺寸如图1所示[7]。其中，承台厚1m，全桩长20m，桩底为岩石层，故按照端承桩进行设计计算分析。采用4根直径为2m的钻孔灌注桩，基础和桥墩全部采用C30混凝土，由上部结构传下来作用于承台上的力为1.2×105 kN。

首先建立有限元模型并划分单元网格，桩身采用六面体8节点单元SOLID45号单元；然后施加重力和边界条件并求解，如图2所示。

2.结果分析。对建筑桩基础的内力和变形进行分析，主要包括以下两方面：（1）变形是否满足要求；（2）混凝土拉、压应力是否满足现行规范中规定设计值。

通过后处理器查看分析结果，单桩的最大竖向位移为7.084mm，满足设计要求[8]。桩基础的应力最大拉应力为1.37MPa、最大压应力为17.2MPa，由规范可知，C30混凝土最大拉应力设计值为1.43MPa，而最大压应力值为14.3MPa，说明压应力超过了设计强度，因此应配置足够的钢筋方可满足设计要求。同时，从规范中[8]也可以看出，C30混凝土最大压应力标准值为20.1MPa，说明此次设计是合理的。

3.调查研究。从上面的例子可以看出，数值仿真直观而生动地应用到专业课程教学中，不但使学生对知识的理解和掌握能力有所提高，同时也开阔了学生的眼界，提高了学生的学习兴趣，而且进一步激励学生通过直观的图像展示去追求抽象的理论知识。针对于教学的效果，本课题组连续三年，对2011、2012、2013级学生通过调查问卷的形式，对引入数值仿真环节授课效果进行调查，从统计结果看，学生认为“该环节对学习有所帮助”的比例占到了92.6%。

三、结论

第一，从调查分析可以看出，数值仿真应用到教学中一个明显的特点就是直观，使学生有新鲜感，不仅加深了学生对知识的理解和掌握、提高了学生的学习兴趣，拓展了眼界，而且激励学生通过直观的图像展示去追求抽象的理论知识。

第二，数值仿真可以在不同条件下进行重复操作演示，克服了现实中不能或不易实现的演示与设计。进行演示，不但能精确设计结果，而且节约资源。

第三，数值仿真软件在工程计算分析中得到广泛的应用，但应用于辅助教学不是很多，因此引入一定的数值仿真辅助教学是十分必要的。

参考文献：

[1]胡卫东，杨恒山，甘美玲.土木工程专业基础工程课程的教学改革研究[J].科技创新导报，2010，（29）：132-133.

[2]袁健，丁科.结合专业课程知识的结构力学教学方式探讨[J].高等建筑教育，2011，20（2）：56-58.

[3]卢玉林，卢滔，王振宇等.数值仿真技术在建筑力学教学中的应用[J].高等建筑教育，2012，21（2）：137-139.

[4]林红，胡玉林，薛世峰.ANSYS在工科材料力学教学中的应用[J].电脑学习，2011（1）：15-17.

[5]华南理工大学，浙江大学等.基础工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[6]何本国.ANSYS土木工程应用实例（第三版）[M].北京：中国水利水电出版社，2011.endprint