数值仿真技术在建筑力学教学中的应用

杨燕

摘 要：房屋建筑是一项周期长及耗资高的工程项目，而为了全面解决人民温饱问题，承包商及建筑设计师需要在保证房屋建筑达标的前提下尽量减小建筑的修建成本。而数值仿真技术能有效通过数值模拟及模型仿真计算缩短修建周期的同时，还能优化房屋设计，有效减少建筑的时间成本。因而对于所有建筑工程专业的学生来说，数值仿真技术是必须掌握的一门知识。而对于教师来说，在教学过程中充分利用数值仿真技术，能行之有效的提升教学质量，尤其针对建筑力学这门知识面较广的课程。

关键词：数值仿真;建筑力学;教学

21世纪，数值仿真技术的应用覆盖领域较广，包含电气系统、热力学系统、机械系统等等。数值仿真技术的原理是以数学为基础，通过仿真软件对事物进行一个数值逻辑的分析，并能通过数值逻辑关系对事物的发展进行一个预演从而能让操作者更精准的优化设计。而在建筑力学的教学中，数值仿真技术能有效在结构力学、材料静力学等各个方面起到推动作用。本文将从数值仿真技术对建筑力学教学的重要性出发，继而探讨数值仿真技术于建筑力学教学的积极作用。

一、数值仿真技术对建筑力学教学的重要性

《建筑力学》作为建筑工程专业的重要教学内容，其教学质量牵涉到学生专业知识及实践应用能力双方面提升的问题[1]。《建筑力学》的教学内容包括静力学、结构力学、平面力系、材料静力学、杠杆轴承以及杠件应力教学等各个方面的内容。《建筑力学》是综合性较强的一门学科，因而在《建筑力学》的教学过程中，教师应当保证学生能对建筑各结构之间的作用力进行全面分析的同时，能够对建筑结构结构进行设计。因此，对于《建筑力学》的教学，教师应当注意以下几点：1）以平面力系为教学基础，使学生了解力在建筑平面的分布及力与力之间的相互作用;2）对于杠杆力学的教学，要注重实践教学;3）要与时俱进，及时向学生传递有关建筑力学的最新理论;4）避免教学方式死板从而消磨了学生的学习积极性;5）在教学中融入经济可行性的分析。综上几点，针对目前的教学现状，数值仿真技术融入建筑力学教学是大势所趋。与此同时，随着社会科技的发展，数值仿真技术能够实现的功能也越来越多，在教学方面能够起到调动学生兴趣、全面提升学生对于建筑力学的理解层次。因而，教师们应当灵活运用数值仿真技术从而改善目前建筑工程教学的瓶颈现状。

二、数值仿真技术在建筑力学教学中的应用

（一）数值仿真技术在杠件应力教学中的应用

杠杆应力教学的内容主要对杆件间的轴承作用力进行分析。针对目前的教学现状中存在的问题，建筑工程专业的学生对于杠件之间的作用力难以进行全面的分析且不易将其与实际情况联系，对于应力的分析过于表面。总的来说，应力主要是物理材料内部变形的而产生的力。在实际教学过程中，由于物体内部变现幅度如过小则难以用肉眼观察，因而通过引进数值仿真技术对其进行分析。在教学过程中，可通过CAE系统进行数值仿真模拟，对杠件的应力进行分析，其能通过数值分析建立应力彩色明暗图从而让学生能够更加直观的观察应力变化。其原理在于将杠件应力进行一个离散型分析，由场及点再得出数值分析从而建立数学模型[2]。CAE系统是进行数值仿真的辅助软件，目前CAE系统在土木结构的应用处于发展时期，在实际应用中占领着重要地位。因而，基于计算机技术，数值仿真能有效缓解教学压力。并且，在进行数值仿真教学的过程，学生能更好的通过对杆件应力的分析从而考虑杆件的强度，在建筑工程中具有十分显著的实用性。

（二）数值仿真技术在结构动力学中的应用

结构力学包括静定结构的受力分析、力法、力矩分析、结构动力学等各个方面的教学，而结构动力学在结构力学中属于教学难点，其教学要点为建筑结构因动力荷载而发生振动时的力学分析。比如说在进行建筑设计时，需要考虑地质灾害，地震作为较为常见的地质灾害应当纳入建筑结构设计的考虑范围之内。但在实際教学过程中如果单单凭借理论知识，学生很难将结构动力学与抗震设计相结合。而数值仿真技术的介入能有效解决这个问题。以输电塔的防震设计为例，输电塔的建筑材料依赖于钢结构，其在进行应力的分析时，应当考虑应力的分布及振型特性。在进行数值仿真时，以ANSYS有限元分析软件为工具。第一步要做的便是建立铁塔结构的数值模型，将铁塔结构进行简化;第二步，利用动力结构学知识，引入时程分析法对地震波进行离散分析，其实现原理是通过给钢架结构施加瞬时荷载，从而实现地震动力反应的计算。第三步，ANSYS软件会将计算结果转化成变形云图，能直观的反映钢架体系的结构内力及结构变形。教师通过数值仿真技术对钢结构的铁塔模型进行防震分析，学生能更加深层次的理解结构动力学，从而缓解教师在结构动力学的教学中的压力。

（三）数值仿真技术在材料静力学中的应用

材料静力学的教学难点为杆件在实际使用中的横力弯曲及变形挠度的分析，而教学目的在于引导学生在进行建筑设计时能针对不同材料设计不同的受力结构从而提升建筑的抗压性能及稳定性能。而数值仿真教学在其教学过程中，主要针对荷载分布的影响因素进行离散分析。在计算机技术的辅助之下，通过数值模拟可以得到结构横力弯曲的挠度变形图。以简支梁的结构设计为例，其主要材料包含钢筋和混凝土，在进行数值仿真计算时，首要要做的依然是建立数值模型，其次对钢筋材料进行一个网格划分，通过对数值模型两边施力，以力的作用作为模型的约束条件[3]。而混凝土的结构分析则以实体单元的形式介入钢筋结构的分析，以静力分析为理论基础，可引入ADNIA、FPEG等各种数值模拟软件进行模型的输入及分析。最后，在数值模拟软件的协助下，其能将施力变化对材料结构的影响以动画的形式展现给学生，在增加教学课堂趣味性的同时，还能生动的表现出建筑材料在不同受力结构荷载下的稳定性。

三、结语

数值仿真技术区别于物理仿真，其通用性能比较强。而在建筑力学的教学过程中，数值仿真技术通过建立数值模型并借助不同的数值仿真软件能较为直观且生动的反映建筑模型中不同的力对结构的影响。数值仿真技术的介入能有效优化传统教学系统引领建筑工程教学朝着现代化发展。并且，随着计算机技术的发展，数值仿真技术在建筑力学教学中的潜在价值还待开发。因而，为了全面提升建筑力学的教学质量，教师应当重视数值仿真的教学方式，只有这样，才能为社会培养出更多的专业性人才，让我国在建筑领域上有一定的市场竞争力。

参考文献：

[1]徐志军，原方.建筑专业建筑力学课程中弯曲内力的教学方法探讨[J].大学教育，2019（05）：88-90.

[2]董旭.建筑力学教学模式及课程体系创新研究与实践[J].河南建材，2018（06）：136+138.

[3]卢玉林，卢滔，王振宇，赵培培.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（02）：137-139.