基于有限元分析的“结构检验”课程教学改革

王英涛，饶德军

（佛山科学技术学院 土木工程系，广东 佛山 528000）

引言

土木工程实践是人才培养过程中一个非常重要的环节，其中实验教学对培养学生的思维能力、动手能力、创新能力至关重要。“结构检验”课程又称“建筑结构试验”，是土木工程专业一门实践性很强的专业技术课程，旨在让学生通过实验教学过程，提升学生的动手操作能力和基本理论认识水平，为工程实践和科研工作打下基础。我校“结构检验”课程在土木工程专业大三上学期开设，共计32学时，其中理论课18学时，实验课14学时。

我校的土木工程专业已通过IEET工程教育认证，毕业要求之一是学生能根据需要选择和使用恰当的工程分析工具或技术手段，将专业理论和实验研究相结合，并能够对分析结果进行合理判断；但是传统的教学方式存在一些问题，很难满足以上教学目标的实现。因此，本文拟在“结构检验”课程教学中将有限元软件分析工具融入具体的实验教学中，采用有限元分析方法进行求解，以达到应用理论知识的目的，并可激发学生的兴趣，在课程教学改革中具有十分重要的现实意义。

一、“结构检验”课程教学中存在的问题

“结构检验”课程的开设以开拓学生思维、培养学生探索观察习惯和独立分析思考及解决问题能力为目标，但经过近几年的教学实践，发现该课程存在以下问题。

（一）实验教学内容多，学时不足

本课程的实验教学内容一共包含七个内容，每个实验内容为2学时，其中电阻应变片贴片技术、电阻应变操作测量（桥路测量）、钢桁架非破坏实验、钢筋混凝土简支梁受弯实验和钢筋混凝土柱偏心受压实验均需要学生动手操作，对学生的动手能力要求较高。通过教学发现，实验教学内容多、学时不足，学生的操作相对较慢，很难满足教学需要。所以在这种情况下，高质量地完成教学任务具有一定难度，亟待进一步通过教学改革提升教学效果。

（二）学生人数多，仪器设备台套数有限

2016年之前，我校土木工程专业本科生每年招生不足100人，仪器设备台套数能基本满足实验要求。但从2016年开始扩招，每年招收学生数超过200人，受实验场地和资金的限制，很难大批量采购仪器设备，导致出现仪器设备台套数不足的问题。为完成实验教学任务，保证教学效果，只能采取分组分批的形式开展，造成实验教师的教学工作量明显增加。

（三）学生没有全程参与实验过程

受学生人数和场地限制，有些实验内容只能演示或者让学生部分参与，学生很难实现全程参与。例如，钢筋混凝土简支梁受弯实验和钢筋混凝土柱偏心受压实验中的实验构件均为委托第三方加工完成，学生没有参与到构件的制作，缺乏对试件制作全过程的认识；加载设备的安装和调试由实验老师完成，学生仅参与读数和数据记录。同时，每组学生仅能够完成单一构件的实验，不能参与多种参数构件的实验，学生难以对相关理论进行全面理解，影响了实践教学的效果。

（四）实验过程中的显示度不足

在实验过程中，学生仅从表面现象去理解理论，特别是混凝土构件的实验，学生只能读取个别点的位移和应变数据，观测裂缝的情况。但因混凝土内部应力、钢筋应力变化和截面应力等重要信息无法显示，导致实验中的显示度不足，对理论知识的全面理解带来困难。此外，实验过程不能重复，如果要观察前一个实验加载步的情况，只能再次从头开始。

二、有限元分析在土木工程教学中的应用

有限元分析技术的出现为解决上述问题提供了一种可靠的方法。近年来，随着计算技术的发展、分析精度和可靠性的提高，以及良好的可视化性能，有限元分析方法在土木工程领域得到了广泛采用。目前，常用的有限元分析软件主要有ABAQUS、ANSYS、MIDAS等。有限元分析方法涉及“计算机分析”“数值计算”等本科生公共理论课程，又与“材料力学”“结构力学”“混凝土结构原理”“钢结构”等专业课程相结合，有利于学生对数值分析和专业知识的应用和结合。

王家全等探讨了有限元分析软件在土木工程专业课程的教学改革与实践中的整体设计理念，发现通过有限元分析软件与专业课程的结合，有限元分析的优势在本科教学中能够得以充分发挥。刘文洋等利用ABAQUS有限元分析软件构建了钢结构基本构件分析平台，通过典型构件的受力分析，将分析成果与课程教学实践相结合，丰富了教学内容。王天鹏发现将数值分析和结构实验课程相融合，结合实验教学案例，加深了学生对实验的理解，取得了很好的教学效果。可见，将有限元分析引入“结构检验”课程中是完全可行的，且可以摆脱对实验室场地和加载设备的依赖，能形象直观地再现实验过程，获得构件的受力过程和变形形态，并可以进一步观察试件内部的微观力学行为，使学生更好地理解理论知识。

目前，我校土木工程本科专业尚未开设“有限元分析”课程，学生多是利用课下时间自学有限元分析软件的简单操作，缺乏系统指导和练习。因此，为解决上述问题，加强对专业知识的理解，培养学生的创新和实践能力，更好地达到实验的教学目的，开展基于有限元分析技术的教学改革十分必要。

三、基于有限元分析的“结构检验”课程改革措施

（一）教学内容

在土木工程的教学过程中，有限元分析软件ABAQUS因其前处理建模简单、易于操作，后处理可视性好，在解决固体力学、结构力学等领域及实际工程问题有明显优势，所以本课程教学改革采用有限元分析软件ABAQUS。

利用有限元软件选取典型实验构件进行模拟，采用有限元软件建模，再现试件的构造方式，通过对实体模型分析计算，给出构件相应的位移和应力变化，可使学生对试件的受力机制具有更深的理解认识。通过旋转、移动、剖切等视角，来获得不同角度和位置的受力情况，这些是在实际实验过程中很难实现的。

受“结构检验”课时限制，不能大量占用课时时间，且仅靠学生自学难度较大，所以在课堂教学中演示简单实例，让学生迅速掌握有限元分析建模过程，然后再开展混凝土结构的建模，由简单到复杂，让学生更有兴趣学习。此外，学生的课外时间相对较多，可以鼓励学生在课下加强练习，并在课后通过微信、腾讯会议等方式对学生建模分析过程中遇到的问题进行讲解讨论。

在引入有限元分析后，本课程可以采用更加灵活的方式进行考核，将有限元软件的学习作为考核的一个内容，形成以实验操作和理论教学为主、综合考虑有限元软件学习情况的灵活综合考核方式。对有限元分析部分，采用大作业的形式进行考查，占期末总评成绩的20%，要求学生使用有限元模型求解分析，并对分析结果用专业知识进行合理解释。

（二）教学方法

有限元软件对本科生来说难度相对较大，大部分学生都没有接触过，如果过多地讲解计算原理，可能会适得其反，难以激发学生的学习兴趣。为此，参考实验教学方法，采用分组形式，每个小组3～5名学生，以学习小组形式开展教学活动，有利于共同解决问题，形成浓厚的学习氛围。

在有限元软件教学过程中，首先通过一个杆件的稳定性引入，让学生快速了解有限元分析的基本建模过程，激发学生的学习兴趣；学生在掌握基本建模过程后，再进行复杂模型的学习，并掌握有限元分析中的基本理论，能够对计算结果的可靠性进行判断。针对学生在学习过程中遇到的问题，主要通过线上答疑完成，如果是共性问题，可采用线下集中答疑。

（三）教学案例

钢筋混凝土简支梁承载力实验是“结构检验”课程中十分重要的一个实验，通过简支梁的正截面破坏实验，可以让学生直观认识混凝土梁的正截面破坏过程及最终的破坏特征，并能够结合实验，更好地掌握梁正截面设计的计算理论。实验过程需要观察钢筋混凝土受弯构件正截面的应变分布、裂缝出现及开展情况、挠度变化及破坏特征等。在实际实验时，单个小组通常仅完成单个梁的实验，很难完成少筋梁、适筋梁和超筋梁三种形式的实验。在课程中引入有限元分析后，学生可以建立钢筋混凝土简支梁承载力有限元分析模型，获取分析结果，将实验结果和理论分析结果进行对比分析，并可以进一步扩展分析参数，完成实际实验中难以完成的实验。超筋梁、适筋梁和少筋梁的配筋形式如图1所示。

图1 实验梁的尺寸及配筋示意图

采用有限元软件ABAQUS建模时，要建立试件的几何模型，再定义材料、组建模型、划分网格、定义边界约束。加载可以采用位移加载和力加载，若要获得较好的荷载-位移曲线下降段，建议采用位移加载，并为对称加载。图2为基于有限元软件ABAQUS分析得到的超筋梁的应力分布图。从图2中可以看出，在两点对称加载下，钢筋混凝土超筋梁的受压应力集中位置清晰可见，可以据此判断混凝压碎部位及应力的传递路径。图3为适筋梁在弹性阶段横截面的应力分布情况，形象地展示出了混凝土梁横截面在弹性阶段中和轴位置、受拉区、受压区及应力的分布情况，有助于学生理解平截面的假定。

图2 超筋梁的应力分布图

图3 弹性阶段横截面应力分布

根据有限元分析结果，学生可以得到实验梁的荷载-位移曲线、开裂荷载、破坏荷载、混凝土和钢筋的应力应变、裂缝的分布等，观察梁内部的应力分布。同时，有限元分析能够实时再现整个实验过程，通过有限元分析结果与实验结果对比，启发学生思考二者结果的异同，进一步加深学生对“结构检验”课程中钢筋混凝土简支梁受弯时的受力特征和关键知识点的理解和掌握。此外，学生可以改变试件的参数，进行参数化分析，得到不同参数下梁的受力过程和破坏形态，完成本科教学实验中难以完成的部分，拓展学生的视野。

总之，通过基于有限元分析软件的课程教学改革，可以使学生熟悉有限元软件，掌握科研方法和科研工具，加深对理论知识的理解，有力地支撑教学工作开展，促进教学质量提高。

四、教学改革对人才培养的促进作用

在“结构检验”课程中引入有限元分析方法，能够对土木工程专业人才培养具有良好的促进作用。一是在有限元分析的讲解和展示过程中，引入已学的专业理论知识，可以让学生对本科阶段已学的课程付诸实践，有利于激发学生对专业知识的兴趣，加深学生对所学专业知识的理解。二是采用分组的形式进行学习，鼓励学生以小组的形式查阅资料，自行解决遇到的问题难题，锻炼学生的自学能力并培养团队意识。在有限元分析的教学过程中，通过课堂与课外、理论与实践相结合的方式，引导学生在把课堂时间利用好的同时，充分利用好课外时间，开阔学生的视野、增长见识，整体上提升学生的综合能力。三是有限元分析的掌握，能够为学生申请大学生创新项目、参加学科竞赛及科学研究等打下技术储备，更能调动学生的主观能动性和学习的积极性。

结语

“结构检验”是土木工程专业一门实践性很强的专业技术课程，针对课程中存在的问题，构建基于有限元分析的“结构检验”课程教学改革，将有限元软件引入实践教学。通过对教学内容、教学方法的改革，结合钢筋混凝土简支梁受弯实验的教学案例，再现试件的受力过程与受力性能，分析结果可与实验和基本理论相结合。将有限元分析应用于教学实践，对提高教学质量具有积极的作用，对培养学生的实践能力和创新能力具有重要意义。同时，希望该研究成果可以为土木工程类似专业课程的教学改革提供参考和借鉴。