有限元二次开发在大创项目及教学中的应用实践★

窦 超,秦伟良，张长春，王文琦，杨 娜

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044; 2.北京交通大学土木工程国家级实验教学示范中心，北京 100044)

0 引言

在国家教育部的大力倡导下，大学生创新训练计划项目已成为北京交通大学重要的学生科技活动平台，每年有大量本科生踊跃参与[1-3]。大创项目的主旨在于，让本科学生在教师的指导下使用科学的研究方法，独立地对某一问题进行探索，形成研究计划、报告及成果，激发学生的专业热情，扩展其思维深度和广度，增强其创新能力，为学生后续的课程学习、科研深造及岗位工作打下良好的基础[4-5]。

钢结构设计原理课程是北京交通大学土木工程专业的核心课程。为响应国家的培养适应创新型国家建设所需高水平创新人才的号召，在保证掌握专业基础知识的前提下，提升学生的专业能力和科学素养，一直是课程组多年来教学改革的重点[6]。然而笔者在教学过程中发现，钢结构的知识点尤其是稳定问题的相关概念，与学生先入为主的“强度问题”相比比较抽象，且课本或讲义缺乏生动直观的演示和案例教学，导致学生对稳定现象缺乏直观感受和深层次理解。另一方面，由于有限元分析手段在钢结构稳定问题中广泛应用，部分学有余力的同学反映想要了解更多有限元软件的知识和技能。

鉴于上述问题，笔者借助大学生创新训练计划项目的平台，将本科生创新训练与钢结构课程教学连接起来，在大创项目中培养学生的科研思维和技能，形成创新性成果，同时让大创成果走进课堂，服务于教学，实现大创项目与课程教学的联动。本文详细介绍了大学生创新训练计划项目的构思、选题与实施情况，以及采用大创成果进行辅助教学的效果，并对取得的经验和存在的问题进行了总结。

1 大创项目的选题

1.1 选题的关键问题

选题是大学生创新训练计划项目的关键。大创项目的宗旨在于，在校本科生在指导下独立地对某一科学技术问题进行探索，因此选题既要体现创新性，也要具备可行性。由于面向对象为在校本科生，因此这里的可行性是指选题和内容要与本科生已有的知识基础储备相符合，学生努力“跳一跳”要能“够得到”。如果为了一味追求创新性，项目选题过难过深，往往会导致学生难以按照预定计划实现预想目标，产生畏难情绪，无法获得足够的参与感，最终不得不草草结题。

大创项目立项时，参与的土木工程专业本科生多处于大二阶段，正在学习结构力学等力学基础课，而混凝土结构、钢结构等相关专业基础课程还未开始，因此还不具备进行深入科学研究的知识储备和专业能力，因此大创项目选题不同于科研基金项目或研究生论文选题，如何让其既有科研探索性，又能让本科生独立实施，是需要仔细考虑的。笔者在大创项目评审时发现，很多优秀选题充分考虑到本科生的特点，做到了既有探索性、新颖性，又无需借助太过高深的理论知识或计算分析，让学生体验科研探索的过程和科研思维方法，而不是强调运用高深技术手段和理论知识[7]。它们中多数通过设计小型实验或现场测试，观察对比某一工程现象，进而分析总结得到结论，借助的手段也是一些易于上手的分析软件。例如，“基于智能手机对车载振动与噪声测试的轨道质量状态评价方法”项目，采用智能手机及现有振动及噪声数据分析软件(具有友好交互式功能，易于掌握)，方便地进行现场测试，对不同工程情况下的大量测试结果进行分析，总结提炼出评价方法，在这个过程中学生能够作为主体参与项目计划、实施、调整和总结的整个过程，培养其发现和解决实际问题的能力。相反，部分项目直接将研究生课题的一部分(例如大型试验或复杂有限元数值分析)作为大创选题，由于项目成员(本科生)尚不具备进行复杂研究的能力，实施过程中往往只是在帮研究生“打下手”，虽然有所收获但并未达到大创项目的训练初衷。

1.2 本项目的选题

笔者在进行此次大学生创新训练计划项目申请时，曾有三个备选题目，分别为“新型波折组合钢板墙滞回试验及抗震性能研究”“高速铁路车站雨棚钢结构腐蚀现状及对策”，以及“基于ANSYS二次开发的钢结构设计原理课程的数字化学习平台建设”。第一个选题是国家自然科学基金研究的一部分，具有很好的创新性，但需要参与者具备扎实的钢结构稳定理论和抗震知识，以及大型结构试验的相关技能，同时会使用专业有限元软件进行分析计算。显然，大二或大三本科生是不具备这些基本能力的，可以预见项目实施将主要依靠研究生进行。第二个选题具有鲜明的专业特色，并且瞄准了实际工程中的关键问题，具有很好的工程应用价值，但需要开展多次全国范围内高铁客站的调研工作，作为本科生时间上很难平衡，且项目执行成本较大。

通过比较，最终选定第三个题目“基于ANSYS二次开发的钢结构设计原理课程的数字化学习平台建设”，并获得了资助。这个选题具有以下几方面的优势：

1)基于通用有限元软件进行虚拟仿真平台建设，具有一定的新颖性和可操作性，符合本科生创新训练的目的[8-10]。2)项目实施主要采用有限元软件ANSYS自带的APDL和UIDL面向对象编程语言，容易上手，所开发的课程演示案例在理论上难度适中，本科生在指导下通过自主学习完全能够开展实施。3)通用有限元软件入门门槛较高难以使用，而本项目通过二次开发，为本科生提供方便实用的专业软件应用平台，因此很好地将大创项目与课程教学需求结合起来，项目成果能够落地，具有较高的应用价值。4)通过项目训练，项目组成员能够在有限元理论与基本操作、钢结构稳定知识等专业能力方面获得较大提升，同时培养其任务规划、团队合作、沟通交流的能力。

2 本项目的实施

如图1所示，针对当前钢结构设计原理课程教学中缺乏生动立体的辅助教学手段的问题，本项目基于通用有限元软件ANSYS进行二次开发，建立钢结构课程的数字化虚拟仿真学习平台，即采用UIDL和APDL语言，创建模块化的交互用户图形界面，针对典型钢结构案例对象，实现参数定义与修改、有限元模型建立、加载求解、结果的图形或动画输出等功能。在此平台上，使用者可通过向导式和交互式操作，对经典钢结构问题及新型钢构件的稳定性能有全方位的理解，并能自行改变关键参数以了解其影响规律，从而加深对钢结构相关概念的认识，促进课程的学习。

具体内容包括：

1)优选典型钢结构案例，建立知识库构架。结合钢结构设计原理课程，选取轴心受压柱的特征值屈曲和大挠度弹塑性失稳、钢梁的弯扭失稳、板件的局部失稳等问题，设计成典型案例[11]。另一方面，将新型钢结构或构件加入平台，并提供配套的学习资料，包括预应力撑杆柱、张弦梁、波形腹板梁、钢板剪力墙、防屈曲支撑等，这些例子反映了科研和工程应用前沿，同时又是普通钢柱、钢梁的延伸和发展，学生可由此感受和理解结构创新的思想与方法，增长见识，提升学习兴趣和专业热情。

2)基于APDL和UIDL开发用户自定义模块，形成仿真模拟平台。包括创建交互式用户图形界面、编写后台求解程序及输出结果图形、数据和动画等。其中，基于UIDL的用户图形界面要具备友好性、交互性和引导性，实现知识点讲解、参数输入及提示、结果展示等功能。计算分析程序采用APDL编写，形成宏命令供图形界面调用，完成后台建模、计算和后处理。以图2所示的预应力撑杆柱案例模块为例，使用者无需具备ANSYS软件的使用技能，即可依靠平台向导、交互式地完成撑杆柱的参数化建模、分析和结果查看，并可自行改变构件尺寸等关键参数，观察屈曲模态及承载力的变化，从而直观地对其稳定特性有深入认识。

3)编制数字化学习平台使用手册和二次开发教程。使用手册包括平台介绍、操作步骤和说明，还包含了对应的课程知识点、稳定基本理论和有限元方法基本原理等；二次开发教程详细介绍了采用UIDL语言定制GUI的二次开发技术。这些手册、教程等文档资料为使用者提供了丰富的学习资源，学生不仅可以使用此平台，而且可以在文档资料基础上，加深对钢结构稳定理论的理解，以及开发自己的分析模块，获得更多专业知识和能力的提升。

在项目实施过程中，笔者仅提供总体规划和相关指导，而学生作为主体独立地完成所有ANSYS软件二次开发和文档编制工作。由于学生并没有此方面的基础，前期花费了大量时间自学APDL和UIDL二次开发语言。其中，APDL语言主要实现后台分析计算功能，无论是书籍还是多媒体学习资源都比较丰富，因此相对容易上手，但后者的相关资料很少。项目组成员将案例模块的功能进行分类，在少量网络资源的基础上，经过大量的摸索和尝试，逐个实现了各项功能，例如菜单栏、对话框生成，参数定义和传递，计算控制及结果输出等功能。可以说，学生从零基础开始，逐步完成了整个虚拟仿真平台的建立，获得了全面的锻炼和提升。

3 大创成果进课堂

如前所述，本大创项目另一个重要目的在于将项目研究与课程教学结合起来，发挥项目建成的虚拟仿真平台的辅助教学作用。针对钢结构稳定知识较为抽象的问题，基于有限元软件的交互式虚拟仿真平台让学生亲自动手进行结构模拟分析，增加其亲身体验感，加强直观认识，与课本上的理论公式进行对比，从而对知识点的理解更为透彻(见图3)。

在最近一期“钢结构设计原理”课堂上，笔者尝试在轴心受压构件、受弯构件和板件局部屈曲等相关章节中，通过虚拟仿真平台对各种稳定问题进行课堂演示，通过图形、曲线或动画等让学生直观看到构件的失稳形式、破坏过程及主要参数影响规律。例如，在讲述轴心受压柱稳定性时，提到“约束柱子弯曲变形能够有效提高其稳定承载力”这一规律。为了帮助理解，给出预应力撑杆柱的工程实例、简化模型和受力机理，如图3(a)所示。在此基础上，在虚拟仿真平台中建立相应的结构，赋予不同的撑杆长度，获得其屈曲变形和承载力的变化。可以看到，随着撑杆长度的增加，撑杆柱由单波失稳过渡到S形双波失稳，屈曲荷载显著提升，可达到单独柱子的6.8倍。有了这一定量的结果对比，学生便能够对此稳定规律和结构形式留下深刻印象，并从中体会工程结构创新的思想和方法。再比如，钢构件的板件局部屈曲一直是教学中的难点，仅凭课件中平面示意图很难让学生理解屈曲波形数目随板件宽高比的变化规律。在虚拟仿真平台中，可方便地亲自操作获得不同情况下板件屈曲变形的三维图像，同时可将屈曲荷载结果与理论公式进行对比，从而加深对此问题的认识(见图4)。

虚拟仿真平台辅助教学的引入，一方面方便了教师对相关知识点的讲解，不再仅限于枯燥的文字和公式，另一方面激发了学生的学习热情和专业兴趣，提升了学习的主动性。在课程期末反馈中，有80%的学生(共41人)对此教学手段给予了肯定，其中还有4名学生由此对有限元方法和软件产生兴趣，并在课下花时间自学ANSYS软件并已掌握基本操作方法。这表明，大创成果进课堂取得了一定成效，达到了本项目的初衷。

4 结语

结合开展的大学生创新创业训练项目，对大创项目的选题和实施情况进行了介绍和讨论，并将大创成果作为辅助教学手段引进课堂，取得了较为明显的训练和教学效果：1)大创项目的选题应兼顾创新性和可行性，要考虑本科生的现有知识储备基础，选择合适的题目使其能够自主地顺利完成既定目标。这样，项目成员才能够最大程度地得到全方位锻炼。2)本大创项目将有限元二次开发与科研能力培养相结合，并与课程教学链接，使项目既具有新颖性、可行性，又具有持久的实用价值。3)在钢结构课程中引入大创项目开发的虚拟仿真学习平台，提供了直观的辅助教学手段，促进了学生对概念的理解，更重要的是提升了学生的学习热情和专业兴趣，激发了内在的能动性。