轨道交通工程结构仿真实验教学的研究

[摘要]文章通过分析轨道交通工程实验教学的现状，提出实验教学内容要与工程实际相结合，以结构仿真拓展专业课的实验教学的课程内容，丰富专业知识体系。既符合实际工程结构设计的流程，又体现了实验教学的特点，有利于学生全面巩固和掌握所学知识，提高学生的创新能力与就业能力。

[关键词]结构仿真；轨道交通工程；实验教学

[基金项目]上海市教育委员会重点学科建设项目资助，项目编号：J 51401

[作者简介]颜喜林，上海工程科技大学城市轨道交通学院讲师，研究方向：轨道结构、钢结构，上海,201620

[中图分类号]G424.1

[文献标识码]A

[文章编号]1007-7723(2009)09-0112-0002

一、引

言

目前轨道交通工程的大型结构试验往往受到场地和设备的限制，比如轨道交通工程中振动与噪声课题，做模型试验有“失真”效应；若要研究某一环境参数对轨道结构的影响，需要制作多个类似构件，而反复进行试验则往往需要耗费大量的人力、财力和时间成本。

随着高性能计算机的逐步普及和数值仿真软件的不断完善，大量优秀的数值仿真软件如AN—SYS、ABAQUS、ALGOR和土木工程专用分析设计软件SAP2000、ETABS、PKPM等广泛普及，计算机仿真试验研究、工程设计、施工模拟等在交通工程各领域运用越来越广泛。利用仿真试验可以完全模拟足尺结构进行试验，研究参数影响只需调整几个参数的输入，还可以考虑各种因素综合影响。对于研究各种灾害因素对轨道结构产生的破坏，长期荷载作用及其车辆高速运行作用下结构的破坏过程这些真实试验难以模拟的情况，仿真结构试验更有其独特的优势。

二、结构仿真实验教学的改革

随着结构仿真软件飞速发展，多数设计院以及施工单位的工程结构设计的流程是概念设计、工程结构设计、工程软件仿真分析、工程试验检测；而在轨道交通工程实验教学中，单独为轨道工程、钢结构结构设计、混凝土结构设计课开设实验的现状，既不符合目前工程结构设计的流程，更不利于学生综合能力的培养。

由此我们对实验课程教材、内容进行了一系列的改革，将混凝土结构、钢结构结构、轨道工程的课程设计与试验各合为一门课程，将软件结构仿真分析作为各课程的内容；由结构仿真验证原有的课程设计计算，通过实体实验证明原有的设计方案，既加强对学科知识体系的了解，又符合目前工程设计的实际流程，有利于学生的创新能力与就业能力的培养。

(一)新编创新实验课程教材

新编写的三本创新实验课程教材，包括混凝土结构课程设计与试验检测、钢结构课程设计与试验检测、轨道工程课程设计与试验检测。每门课程是按照目前实际工程结构设计的流程，采用实际案例设计的流程，综合运用本课程知识，通过各种软件的结构仿真分析，对结构的工作性能、承载力作出正确评价与估计，再通过实验设备测试与结构有关的各种参数，从而理解和验证结构的计算理论。教材的特点涉及知识面广，综合性、实践性强。

(二)创新实验课程的内容设计

根据轨道交通工程的实际，创新实验课程，通过采用结构仿真分析软件，构建设计、分析、演示、验证的多层次的综合实验教学模式，促进实验教学由单一的验证性实验向综合的创造性的实验转变。

1、混凝土结构设计与试验检测

课程的基本要求是学生能运用所学的理论与设计方法，进行钢筋混凝土车站的设计，对车站进行受力设计计算，并按比例尺图绘制。其次，通过SAP2000、PKPM结构仿真分析计算，从而对原有的计算进行验证，同时根据仿真分析计算的变形结果，设计该结构的模型实验检测方案，完成模型的工程检测，并能根据检测结果对结构原有设计作出正确分析与判断。

2、钢结构结构设计与试验检测

课程的基本要求是学生能运用所学的理论与设计方法，进行空间钢桁架的设计，对该桁架进行受力计算，该桁架结构综合设计性强，可拼装成多种不同形式的空间杆系结构。其次，通过SAF2000、PKPM结构仿真分析，对该结构进行杆件受力计算，从而对原有的计算进行验证。同时根据仿真分析计算的结果，设计该桁架的模型实验方案，完成模型的工程检测，通过对试验数据的分析与评定，优化原来的桁架结构，从而培养学生解决工程实际问题的能力。

3、轨道工程设计与试验检测

课程的基本要求是学生能运用所学的理论与设计方法，进行整体道床的轨道结构包括道岔等附属结构的设计计算。其次，通过ABAQUS、AN-SYS结构仿真分析计算，判断轨道结构的疲劳与振动特性，发现轨道的薄弱部位和破坏特征，设计轨道钢轨无损探伤检测的方法和程序，通过对试验数据的分析与评定，对钢轨伤损作出正确分析与判断，提出钢轨的修复和加固的措施，为学生今后的实际工作打下基础。

三、结构仿真实验教学中的优势

交通工程结构实验室开设结构仿真实验室，把结构仿真软件的使用引入专业课实验教学中，改革传统的教学手段，既加深对专业理论知识的理解，提高学生学习专业课的兴趣和主动获取知识的积极性，又可作为大学生创新的平台，也可以作为教师的科研创新平台。

(一)激发学生学习兴趣，加深对理论概念的理解

一般的结构试验加载过程漫长，试验所获得的结果往往是数据形式，因此试验过程比较枯燥。而结构仿真可以实时反映试验的图形结果，通过发挥计算机的友好界面，可以提高学生学习专业课的兴趣和主动获取知识的积极性。而结构仿真则可以发挥学生的创造性和参与性，通过计算机模拟试验整个过程，实现互动启发式教学。

(二)开设创新实验，开阔学生的视野

通过结构仿真，学生可以开展创新试验项目。比如对于试验设备不完备、使用设备精密、试验损耗大的试验，在结构仿真中，由于可以反复试验，参数可以自行调整，学生可以根据同一试验构件设计不同的试验方案以及同一试验方案不同构件材料特性，了解各参数对试验结果的影响，加深对结构新的认识。

(三)熟悉软件使用，提高就业能力

随着计算机技术以及仿真软件飞速发展，在工程设计单位，PKPM、ETABS、SAP2000等优秀设计软件被广泛使用，多数大型设计院以及大型施工单位，对复杂结构的设计及施工均要求利用数值模拟仿真软件分析受力性能，所以作为轨道交通工程师的一种必备技能，结构仿真分析软件已成为当代大学生必须掌握的一种工具。

(四)开展科研项目，提高教师科研能力与教学水平

结构仿真实验室作为新的实验教学平台为教师提供良好的教学科研条件，教师通过开展科研项目，不断提高科研能力与学术水平，才能将新成果和新技术及时、准确、生动地融合在自己的实验教学中。只有不断提高教学水平和教学质量，才能应对高等教育培养创新人才的要求。

四、结语

交通工程结构实验室是培养学生工程实践能力和创新实践能力的重要基地，而实验教学内容要与工程实际相结合，通过结构仿真可拓展专业课的实验教学空间，既丰富课程体系与知识体系，又符合实际工程结构设计的流程。

在专业课实验教学中引入结构仿真软件的使用，体现了实验教学的特点，遵循了实验教学规律，有利于学生全面巩固和掌握所学知识，调动了主动研究的探索精神，有利于学生的创新能力与就业能力的提高。

[参考文献]

[1]王常明，王清，范建华，计算机仿真在土力学实验教学中的应用[J]，高等建筑教育，2005,(4)

[2]唐星焕，虚拟现实技术在建筑专业教学中的应用[J]，湘潭师范学院学报。2003，(4)

[3]林安珍，郑荣跃，仿真模拟技术在建筑材料实验教学中的应用[J]，宁波大学学报(理工版),2005，(2)

[4]傅秀芬，创建世界一流大学实验室建设与管理的相应对策[J]，实验技术与管理,2005，22(8)

[5]金凤莲，兰振平，牛悦苓，仿真虚拟实验教学的探索与实践[J]，中国现代教育装备，2007，47(1)

[6]张冰，计算机仿真实验的教学应用及发展前景[J]理工高教研究，2005。24(3)

[7]乔文孝，仿真技术在实验教学中的应用[J]，实验技术与管理,1998，15(4)

[8]樊小利，张学博，仿真实验教学——提高学生的综合素质和能力[J]，实验室研究与探索，2009,28(4)