高职院校以ANSYS为向导的理论课程教学改革研究

刘波+甘涛+杨自超+曹淼

摘 要：压杆稳定是钢结构设计中的重点和难点。高等院校对钢结构设计原理的教学以理论教学为主，学生普遍接受和理解程度低。实践证明引入ANSYS到《钢结构》课堂教学能够增强学生积极探索的兴趣和对国际知名软件的了解。对教学质量提高具有重大的实践意义和广阔的应用前景。

关键词：ANSYS；钢结构；压杆稳定性

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9132（2017）35-0005-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.35.001

钢结构作为土木工程的重要结构之一，备受工程界技术人员和社会投资者青睐。国务院《关于大力发展装配式建筑的指导意见》指出要大力发展装配式混凝土建筑和钢结构，推动建造方式创新。为此，学者积极研究钢结构教学改革，为社会输送能够切实分析和解决钢结构问题的人才具有重大的实际意义。目前我国高等教育对钢结构的教学普遍停留在理论教学的阶段。一方面，是因为受学校教学资源的限制；另一方面，是因为教师对钢结构的重视程度低。最终导致学生很难理解钢结构工程中的诸多重要概念，甚至对学生工程实践产生负面影响。教学中，引入有限元分析软件ANSYS有助于改善上述困境。因此，加大对钢结构课程的重视程度以及在钢结构课程中，结合ANSYS软件与传统理论进行授课显得尤为重要。在钢结构教学课程活动中，通过ANSYS软件对钢结构进行仿真分析，让学生直观了解构件的应力、应变、位移云图及构件的各种力学破坏过程和特征，以弥补实验教学的不足。

一、压杆稳定性理论

长而细的钢结构构件除出现连接处的强度破坏外，还可能出现当截面上的平均应力还远低于材料的屈服应力时，一些微小的扰动使得构件产生很大的变形，使其不能保持原来的直线平衡状态，从而失去稳定性。近些年，国内外的专家学者对钢结构的稳定性研究取得了不少成果并且进一步完善了钢结构的弹塑性稳定理论，对于实际的受压构件屈曲，考虑了初始挠度和残余应力等缺陷对钢结构受力性能的影响，在数值方法求解钢结构的稳定极限荷载方面同样取得了不少成果。压杆失去稳定性主要分成三类：平衡分叉失稳、极值失稳、跃越失稳。假设任意一点的挠度y0=？淄0 sin（？仔z/l），轴力作用下，挠度增加。同时建立弯曲状态的弹性压杆的平衡方程。

二、ANSYS仿真模拟

（一）算例参数设定及建模

算例利用ANSYS研究两端铰接的轴心受压柱且视材料为理想的弹塑性材料。截面形式采用H型钢，腹板厚度为0.006m；翼缘厚度为0.010m；截面高度为0.220m；截面宽度为0.220m；高度为4m；钢材为Q235；弹性模量E=208GPa；泊松比ν=0.35。假设初始跨中弯曲为10mm，查阅《钢结构设计规范》得：该受压构件的容许长细比λ=150；由以上参数设置并且选用BEAM188单元，建立节点，将节点连接成线，划分若干单元后，可建立模型。

（二）输出结果并分析

基于以上模型加轴心荷载进行模拟实验，荷载分别为500KN、1000KN、1500KN、2000KN。输出构件变形云图，以500KN和2000KN对应云图为例进行对比。

提取以上仿真模拟最大挠度数据可得：轴心荷载N=500KN、1000KN、1500KN、2000KN时，有限元结果挠度y=0.075mm、0.15mm、0.2mm、0.3mm。通过直观的仿真模拟，不难发现，随着轴压荷载的增加，构件挠度增加，且其挠度最大位置随荷载的增加有所下移。

三、结论

ANSYS仿真模拟教学大大提高了学生的学习兴趣。通过仿真模拟，学生可以系统学习到建立各种有约束条件的模型，培养了学生建立问题、解决问题的能力。通过仿真模拟教学，引入ANSYS到钢结构课堂教学，能够增强学生对国际知名软件的了解。

参考文献：

[1] 李凤臣.钢结构设计原理[M].广州：华南理工大学出版社，2013.

[2] 康孝先.大跨度钢桥极限承载力计算理论与试验研究[D].西南交通大学，2009.

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[4] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.endprint