钢构件失稳破坏虚拟仿真实验教学平台开发★

2020-04-01杨震铂阙家星

山西建筑 2020年6期

杨震铂车伟阙家星

(中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083)

0 引言

近年来，仿真技术已广泛应用于航空航天、汽车制造、交通运输、消防安全等多个领域[1]。虚拟仿真技术使人机交互方式发生了质的变化，它具有沉浸感、交互性和想象性[2]。虚拟仿真技术优点在于避免现场试验，利用计算机有限元分析软件进行实况模拟，将施工机械、模拟内容以及人工操作联系起来，实现人机交互的目的，效率高，且省去不必要的资源浪费。现代社会各行各业对人才的实践能力和职业能力要求都比较高,实训培训引起了高校的高度重视,因此,高校在学生培养中应该注重对人才的实训培训[3]，作为信息技术与教育教学深度融合的“虚拟仿真实验项目”应运而生[4]。

土木工程专业的综合性、实践性强，与工程实际紧密联系[5]，是国家基础设施建设、塑造大国工程的基础行业，是国民经济的支柱产业，本专业不仅对实践能力有高要求，软件使用水平也是重要因素，例如，中国BIM应用正在蓬勃发展，大规模培养相关专业人才日益迫切[6]。实践能力的培养是工科教育的重中之重，尤其是现代工程具有大型化、复杂化、环境约束条件苛刻等趋势与特点[7]，高校本科工科领域的实践教学起着不可替代且不可忽略的作用，然而实践教学中往往存在如下几个问题：1)实验室场地资源有限。实验室的建设较难满足日益增多的实验项目开展[8]，硕士科研实验与本科生的教学安排冲突日益增长，造成实验室场地使用紧张的状况；2)现场试验开支较大，教学效率不高。土建专业中部分实验教学涉及高危或极端的环境,不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或综合训练复杂等情况[9],导致本应由学生操作的实验只能以演示实验的方式进行，导致教学质量下降，学生将理论与实践结合的能力受到约束。

本文根据土木工程专业课程钢结构进行虚拟仿真实验平台的探索，目的在于建设使抽象知识具象化、将理论知识难点及教学重点与模拟过程有机结合的虚拟平台，达到减少实验室开支、提高教学质量的效果。仿真实验可以把实验或实训设备、实训内容、教师指导和学生操作有机的融合为一体，可在短时间内根据需要建立模拟实验室或实训场地[10]。

1 设计内容

设计内容主要包括对受压构件、受弯构件及坦拱、扁壳构件的失稳过程及状态分析。

1.1 受压构件

受压构件作为一种典型构件，在建筑领域内被广泛使用，故将轴心受压构件与压弯构件的设计与计算分析引入设计内容中。

轴心受压构件，其轴向力作用线与截面中心轴重合，破坏形式包括强度破坏、整体失稳破坏和局部失稳等。计算过程应包括从构件稳定平衡至失稳，为尽量保证虚拟实验的准确性，引入钢构件初始缺陷以及残余应力参数，使用弹塑性理论进行计算模拟。用户可通过选择构件类型并输入构件长度、壁厚、外径等几何参数进行构件定义，输入长细比、初始缺陷、边界条件等构件条件完善实验信息。设计要求是对构件进行失稳模态分析，并输出极限承载力、临界力、位移曲线及失稳模态等直观结果。

压弯构件的外力作用线与截面中心轴存在一定距离，破坏形式包括强度破坏、整体失稳破坏、单向压弯构件弯矩作用平面内失稳、单向压弯构件弯矩作用平面外失稳与局部失稳。试验参数引入外力偏心距、截面尺寸、外力大小与类型等，同轴心受压构件，为保证计算结果尽可能与实际试验测得数据相吻合，使用弹塑性理论对构件受力失稳过程进行模拟，包括初始缺陷、残余应力参数的引入。

1.2 受弯构件

受弯构件失稳形式包括整体稳定性丧失及局部稳定性丧失。计算过程包括从弹性阶段至应变硬化阶段。引入的实验参数包括翼缘宽厚比、腹板高厚比、荷载类型(均布荷载、集中荷载、弯矩等)以及荷载作用位置等。截面类型包括实腹式构件类型、格构式构件类型。经计算分析可输出直观的受弯过程(如局部失稳中，梁构件受压应力作用，翼缘和腹板上受力区域可能偏离正常位置而形成波形屈曲)。

1.3 坦拱构件与扁壳构件

由于拱形与壳型结构在建筑设计中被广泛使用，且相对于受压与受弯构件，其受力分析更为繁琐，故将这两种典型构件引入平台设计内容内。构件类型包括格构式、肋型拱，针对这两种类型的构件，建立坦拱构件与扁壳构件模块，引入构件跨度、矢高、受力特征、支座形式、铰数等参数供用户选择，并经过处理运算，呈现失稳结果供用户参考。

2 设计流程

2.1 系统框架及功能

在平台实际设计之前，对系统框架以及其主要功能进行设计及安排，主要包括三种功能：选择构件、计算分析、结果输出。为满足用户需求，以及尽可能提升平台运行效率，根据平台主要完成的任务，将主要功能分为五个模块：构件模块、参数输入模块、APDL命令流文件生成、启动ANSYS、输出结果。框架模块如图1所示。

构件模块功能主要是为用户提供可计算的构件形式，包括受压构件模块、受弯构件模块、拱壳构件模块，用户在选择过所需要的构件形式后，进入参数输入模块。

参数输入模块功能是为用户所选构件进行参数赋值。在这一模块中用户可根据实际情况对构件参数进行更改，参数输入完毕，即进入命令流文件生成模块。

命令流文件生成模块功能主要是提供可由有限元软件调用的命令流文件，此文件为软件计算提供命令，文件生成后，进入运行ANSYS模块。

运行ANSYS模块功能是有限元软件ANSYS执行命令流，对命令流文件进行数值运算，在完成计算分析后，进入结果输出模块。

结果输出模块的功能是将ANSYS计算的结果输出，以图像、动态视频和数字的形式呈现给用户，供用户参考。

2.2 设计流程

开发的基本思路与步骤为：第一步，搭建平台框架，编写APDL命令流文件，对计算参数进行前处理；第二步，编写VC++程序，使得系统可根据用户的输入，将新参数赋值给APDL命令流文件中对应的参数，对APDL命令流进行封装嵌套；第三步，由有限元分析软件ANSYS对赋值过后的命令流文件进行调用，并计算分析生成结果；第四步，编写VC++程序，将ANSYS计算结果输出至平台主界面。

VC++是典型的面向对象开发程序，具有集成开发环境，可用来创建应用程序等，也可用来建立可视化界面，同时具有加速开发和处理所有类型数据的语言增强功能。基于ANSYS并没有具有面向对象特性的程序接口，但具有对命令流APDL语言的开发接口，故将命令流接口技术作为两个软件的交流桥梁，将两个软件有机结合起来，共同工作，其中命令流文件、VC++程序与软件ANSYS三者与接口技术的关系如图2所示。

ANSYS软件、APDL命令流文件与VC++程序关系如图2所示，在开发过程中将已满足某一构件或结构的计算要求APDL分析命令流文件封装到VC++中，并在书写过程中加入一些关键参数的参数变量化调节命令，使得用户可根据自身需要对计算参数进行新的赋值，这样写出来的APDL命令流文件虽然均可单独调用ANSYS进行运算，但对于用户的操作来说过于繁琐，故利用VC++与ANSYS对APDL命令流文件的调用接口技术，实现由VC++程序调用ANSYS，并进一步使ANSYS自动调用APDL模块进行相关计算，最终将计算结果输出到利用VC++开发的界面上。

2.3 部分APDL命令流文件书写

为满足ANSYS对APDL命令流文件的调用目的，在命令流文件中应包括材料、单元、截面定义，几何模型的建立，约束的施加，特征值屈曲分析等必要功能，利用VC++语言的编写，可以实现VC++对命令流文件中参数的更改，从而利于ANSYS调用计算。所写出的APDL命令流文件如表1所示。

表1 APDL命令流文件

3 界面设计

3.1 主界面

主界面内容为构件选择模块，在此界面上提供构件模块供用户选择，同时设有结果输出界面，由软件分析计算后的结果可被调回主界面上，清晰简洁。

3.2 参数设置界面

构件模块选择完成后，进入参数设置界面，包括钢材参数设置与外力参数设置，本页面也设有最终计算结果输出处，同时文件选项中包括对计算文件进行保存、打印等功能选择，在运行选项中可对运行进程进行暂停或打断，显示选项中可调整模态图、图像的大小比例，如图3所示。

在对钢材材料参数进行定义及赋值的界面中，可对钢材截面类型(工字钢、十字型钢、圆形钢、T型钢等)、材料类型(钢材型号)、受力特征、几何参数(高度、宽度、壁厚、惯性矩、外径等)等参数进行定义，同时出于实验精确性，遵循弹塑性理论，本界面可对边界条件、长细比、初始缺陷等参数进行补充，如图4所示。

在外力参数设置界面中，用户可根据钢材构件实际受力情况，对外力类型、外力大小以及作用位置进行定义，外力类型包括均布荷载、集中荷载、弯矩等；作用位置可根据预设条件或用户手动选择，较为方便，如图5所示。

4 运行展示

如图6，图7所示，经过用户参数赋值，VC++生成APDL命令流后，对ANSYS发送命令，使其调用生成的命令流，对所给结构进行计算分析，并将失稳模态图、荷载位移曲线、理论稳定系数与最大承载力、实际最大承载力输出至页面，供用户参考，如图8所示。此处以双轴对称截面轴压柱弯曲失稳模拟与集中荷载作用下悬臂梁平面外弯扭失稳模拟为例。