虚拟仿真技术在工程结构实验中的应用

于卓然

【摘 要】针对土木工程实验的特点和工程结构实验教学的现状，阐述了当前教学模式存在的问题。以吉首大学力学与工程虚拟仿真实验教学中心为平台，对“钢筋混凝土梁正截面受弯性能实验”和“钢桁架静力加载实验”给出教学案例，获得了学生的广泛好评。

【关键词】虚拟仿真;工程结构;实验教学;信息化

中图分类号： TP391.9 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）18-0147-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.070

工程结构设计原理课程是土木工程本科教学的重要组成部分，由于此类课程实践性较强，因此实验教学就显得尤为重要[1，2]。传统实验教学有着无法克服的弱点，笔者根据湖南省教育厅《关于开展2016年省级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（湘教通〔2016〕143号）精神，以吉首大学“力学与工程虚拟仿真实验教学中心”为平台，大力推进实验教学信息化建设，推动实验教学改革与创新，提高工程结构实验教学的效果与质量[3]。

1 土木工程专业实验的特点

土木工程专业的实验与其他专业有所不同，往往具有以下几个特点：

1）实验费用昂贵。土木工程专业建造对象包括房屋、道路、隧道、桥梁、堤坝、给水排水以及防护工程等。港珠澳大桥主桥长29.6千米，上海中心大厦总高632米，进行这些建筑的实体实验几乎是不可能的，即使是进行缩尺实验，对于普通学校而言，仍然难以实现。

2）建造周期过长。钢筋混凝土结构的施工周期一般较长，我国港珠澳大桥耗时近10年才完成，一幢普通的住宅小区最快也需要1年的工期，学生在认识实习和生产实习的过程中很难了解全部的建设过程。

3）实验不可逆。土木工程结构实验很多都是破坏性实验，结构一经损坏，无法重复使用，这就对实验的设计有极高的要求，不能出现任何偏差。

4）危险系数高。工程结构实验很多都是脆性破坏，例如钢筋混凝土超筋梁和少筋梁的正截面受弯性能实验。此类实验破坏较突然，学生的实验安全教育显得十分重要。

5）实验难度大[4]。实际生活中工程结构面临的环境十分复杂，例如风荷载，需要通过风洞试验进行模拟。这类实验操作难度较高，限于理论知识的匮乏，本科生往往难以达到实验准入要求。

2 教学现状

吉首大学土木工程与建筑学院经过专业认证改革之后，结构设计原理实验课已独立于理论课程单独开课，成为土木工程专业实验课程的一个重要组成部分。该课程包括钢筋混凝土超筋梁和少筋梁的正截面受弯性能实验、钢筋混凝土斜截面破坏实验、钢筋混凝土柱偏心受压实验和钢桁架静力加载实验等。

由于吉首大学结构实验中心尚未建设完成，专业学生只能观摩教师进行演示实验。学生手动记录仪器仪表数据后撰写实验报告。这种实验方式往往有以下弊端：1）大部分学生只能在一旁围观，无法获得亲自动手操作的機会，外围学生很难看到破坏全过程，例如中性轴位置的改变情况、裂缝及挠度的发展情况等，导致教学效果被严重削弱。2）学生记录的只是离散的数据对，需要进行实验数据的后期处理才能得到数据之间的联系，比如荷载—应变曲线等。3）在实验过程中，没有办法观测到试件的宏观状态与微观应力的联系，比如钢筋的本构和裂缝发展的关系等。

3 “钢筋混凝土梁正截面受弯性能实验”虚拟仿真教学案例

吉首大学“力学与工程虚拟仿真实验教学中心”是湖南省教育厅28个重点建设项目之一，它依托计算机技术高度还原实验现场，能让学生深刻体会实验构件的受力机理，弥补了实践教学的不足。

3.1 系统简介

本系统为Web端B/S架构程序，可在微软Windows操作系统下被远程/本地访问，支持但不限于WINDOWS XP专业版32位、WIN7旗舰版32及64位环境。人机交互界面采用Windows操作风格，对控制、命令和输入方法都进行了规范化，从而使操作者易于使用，经过简单的培训就可上机操作。

3.2 实验目的

1）掌握钢筋混凝土简支梁静力加载实验方法。2）掌握各仪器仪表的使用方法。3）观察梁在分级加载过程中的破坏过程。4）校核简支梁的强度和刚度、钢筋应力变化情况、中性轴位置的改变情况、裂缝及挠度的发展情况等。

3.3 虚拟实验过程

在登录框输入姓名/学号之后，点击“登录”进入。当用户进入到实验设定界面后，首先选择构件尺寸，如图1所示。在系统的输入框中分别输入配筋率、混凝土强度和钢筋强度等，同时下方也会出现“智能提示”按钮，可以帮助用户输入，如图2所示。用户通过计算，求得理论数据，分别为：开裂荷载、极限荷载、开裂时钢筋应变、开裂时跨中挠度、钢筋屈服时跨中挠度等，再一一对应输入。针对计算的结果，用户可以对加载程序进行设计，将设计结果输入到系统之中，以进行核对，如图3所示。最后，当系统对用户输入的参数核对完毕时，允许进入虚拟实验环节。这时就可点击“下一步”，场景跳转至混凝土制作演示界面。用户可以自行点击下一步，观看混凝土制作过程，如图4所示。

当自动漫游结束之后，进入到虚拟实验界面，如图5所示。该界面是本系统的核心界面，涉及到诸多操作和内容显示。界面上方，主要是用户登录信息，在实验结束后，会以该信息作为索引输出。界面下方，主要是实验耗时、步骤提示（当期状态）、数据记录、操作日志等。当用户点开“数据记录”后，会显示出当前实验进度下已经取得的实验数据，包括应变数据集、挠度数据集、裂缝数据集等，用户可以点击切换查看，如图6所示。用户也可以在实验过程中的任意时刻、任意阶段点击“操作记录”查看自己的操作历史，由此判断自己的错误率情况。

在用户完成了整个实验，或者直接终止实验后，系统会跳转至实验结果界面。该界面主要由系统通过智能分析操作数据、读取结果和错误次数等，综合评判给予分数，如7所示。为了方便用户撰写报告，用户点击“保存到桌面”按钮，可以将数据下载保存，如图8所示。

4 “钢桁架静力加载实验”虚拟仿真教学案例

桁架（truss），是由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构。在荷载作用下，桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，在跨度较大时可比实腹梁节省材料，减轻自重和增大刚度，故适用于较大跨度的承重结构和高耸结构。

4.1 实验目的

1）掌握桁架结构静力加载实验的过程和方法。2）掌握应变和挠度测量仪器的安装和使用方法。3）掌握数据处理分析和结构性能评定的方法，解决工程实际问题。

4.2 虚拟实验过程

在登录框输入姓名/学号之后，点击“登录”进入设置界面。设置界面包含五项：结构尺寸及加载、构件选择、材料强度、加载程序设计和构件测试组。用户自行输入跨度、高度、构件规格、材料强度和荷载大小，如图9所示。设置完成后进入实验界面，整个页面主要由页面上栏，底栏的UI和页面中央的三维场景组成，如图10所示。

用户按照实验手册的说明安放好相关仪器设备后，点击千斤顶起压器开始加载，位移、应变可以在百分表和应变仪中显示出来，如图11所示。学生需要对比虚拟加载实验值和理论计算值，结果页面会根据计算误差给出评分，如图12所示。

5 结论

虚拟仿真技术具有成本低、效率高、可重復等特点[5]，依托计算机技术，高度还原了真实实验环境和实验对象，为学生开展自主实验提供了友好开放的平台，弥补了实践教学的不足。通过问卷调查，上述虚拟实验方法使学生对相关理论知识有了更深刻的理解，激发了学生学习理论课程的积极性，培养了学生科研和解决实际工程问题的能力。

【参考文献】

[1]徐明，李红兵，肖士者，等.基于虚拟仪器的工程结构设计原理实验教学演示系统设计[J].高等建筑教育，2015，24（06）：141-145.

[2]余世策，冀晓华，胡志华，等.钢筋混凝土结构实验教学演示系统的开发和应用[J].高等建筑教育，2012，21（06）：139-142.

[3]郭恒宁，贺志启，刘艳，等.土木工程实验教学的虚拟仿真平台设计[J].实验技术与管理，2019，36（03）：143-145.

[4]徐明，刘艳，陆金钰，等.土木工程虚拟仿真实验教学资源的建设[J].实验技术与管理，2015，32（12）：116-119.

[5]王浩.虚拟仿真技术在道路工程实践教学中的应用[J]. 赤峰学院学报（自然科学版），2019，35（04）：160-162.