基于Midas的结构力学教学改革研究

赵 越

(江苏城乡建设职业学院,江苏 常州 213016)

结构力学是工程领域中的一门重要学科,主要研究物体的力学性质以及力的作用对物体的影响,广泛应用于建筑、桥梁、航空航天、汽车等各个工程领域。它是解决工程结构设计与分析问题的基础。通过结构力学的分析,可以确定结构的稳定性、刚度、强度等重要参数,保证工程结构的安全性和可靠性［1］。

在实践教学中,学生通常需要学习基本的结构力学理论,并通过实验、计算和建模等方法,应用这些理论解决实际问题。学生通过学习结构力学,可以培养出分析问题和解决问题的能力,具备设计和分析工程结构的基础知识和技能［2］。

在教学实施过程中,学生需要理解力学原理、数学推导和复杂的计算,这对于没有相关基础的学生来说,理解有一定的难度,特别是到了力法、位移法部分,学习的难度和阻力会更大。因此,研究如何调整和更新课程内容,使其与结构工程领域最新的发展趋势和技术要求相符合,具有非常重要的实际意义。这包括引入新的理论知识、设计方法和先进技术,如有限元分析、结构优化、非线性分析等,本文即是在传统的结构力学教学中融入了有限元软件分析作为改革方向进行了探索［3］。

1 现有结构力学教学设计存在的问题

1.1 教学方法单一

目前的结构力学教学往往只注重理论知识的讲解和板书,教师在课堂上进行单向的讲解,学生被动地接受知识,缺乏多样化的教学方法和师生互动,学生很难主动参与讨论和思考,导致学习效果不佳［4］。

1.2 数学基础要求过高

结构力学是一门应用数学的学科,需要一定的数学基础。然而,目前一些教材和教学方法在数学推导中过于繁琐和抽象,给学生带来困难,可能导致他们对课程失去兴趣［5］。

1.3 缺乏互动和实践环节

传统的结构力学课程教学大多是理论的力学推算,均是停留在纸面的数学计算,学生缺乏直观的实践操作和实验的机会,难以培养出对结构力学的深入理解和应用能力。限制了学生的主动学习和实际动手能力的培养［6］。

2 Midas在结构力学教学中的改革实践

2.1 有限元软件Midas的应用

Midas软件是一款功能强大、用户友好的工程分析和设计软件,广泛应用于建筑、土木和结构工程等领域。它拥有多个模块,可用于静力学、动力学和非线性分析等多种工程问题的解决。Midas软件具有直观的用户界面,使用户能够快速上手并有效地使用软件。它提供了丰富的图形化工具和可视化结果,使用户可以直观地观察和分析结构的行为［7］。

Midas软件在结构力学课程教学中的应用具有很大的优势。它提供了一种直观的方法,可以以图形化的方式展示结构模型、荷载、边界条件和分析结果,可以帮助学生理解结构的受力情况、变形行为和安全性能,从而提高他们的分析和设计能力。同时,它也为教师提供了更多的教学资源和辅助工具,有助于提高教学效果［8］。

2.2 Midas在结构力学教学中的实践

2.2.1 Midas与教学融合的思路

结构力学课程在整个专业人才培养方案中的学时有限,而教学的内容却很多,要想在有限的学时内提高教学效果,应合理运用Midas来辅助教学,帮助学生理解力学原理,激发学生学习教材新知识的兴趣［9］。Midas融入结构力学课程设计的思路如下。

①根据Midas的功能特点,选取合适的结构力学知识点,进行课程案例设计,如静定梁、静定钢架,静定平面桁架,结构位移计算等。

②讲解Midas基本操作过程,演示完整的结构建模过程,运行Midas数值仿真计算,展示结果、云图和表格等。

③结合教材具体讲解计算的原理和步骤,对难点和学生共性的问题发起讨论,解答疑惑。

④教师把该知识点Midas建模的操作演示视频发给学生,学生通过学习,可加深印象,提高操作水平,并可验证课后作业的正确性。

2.2.2 单跨静定梁教学案例

以 22级道路与桥梁工程专业学生为实践对象,以单跨静定梁结构的内力计算为例,介绍课程融入Midas仿真技术的教学实施过程,教学设计案例如图1。

图1 梁的剪力图和弯矩图

2.2.2.1 讲授Midas的建模计算过程,展示计算结果

教师先带领学生认识这个单跨静定梁的构成、荷载类型和支座类型,然后打开Midas计算软件,介绍窗口截面的功能分区,并按照前处理、运行分析、后处理的步骤进行建模计算见图2-5。

图2 软件建立的模型

图3 Midas计算的支座反力

图4 Midas计算的剪力图

图5 Midas计算的弯矩图

2.2.2.2 讲解理论计算内力图的步骤

详见图6、7。

图6 手绘剪力图

图7 手绘弯矩图

2.2.2.3 发起课堂讨论,解答疑惑

讲解完理论计算的方法和步骤后,学生基本了解了单跨静定梁的剪力、弯矩计算过程,但对于案例中的叠加法作弯矩图是本部分的难点,通常有一些学生还没有完全搞明白,此时发起课堂讨论,大家共同寻找最大弯矩的位置和数值。

该静定结构中EF截面梁的弯矩图可采用叠加法绘制,EF截面梁可作为隔离体(见图8)。不难看出,它与跨度等于该梁长度并承受相同荷载q和端部弯矩ME和MF的相应简支梁相同(见图9)。因为如果使用平衡条件分别计算QE、QF和RE、RF,则可以确定QE=RE,QF=-RF,即它们受到完全相同的外力,因此它们也有相同的内力图。所以,在绘制EF截面梁的弯矩图时,可以将两端的弯矩ME和MF求出并连为一条直线,然后将相应简支梁在荷载q下的弯矩图叠加在这条直线上。为了确定最大弯矩值Mmax,应确定剪力为零的截面K的位置。由QK=QE-qx=8-5x=0,可得x=1.6 m。故最大弯矩值出现在距离E点右侧1.6 m处,且最大值为:

图8 隔离体EF梁端

图9 等同简支梁

2.2.2.4 把Midas的建模视频发给学生,让学生课后借鉴和学习

课后教师把课内Midas建模操作过程录制成视频,发给学生,鼓励学生结合视频学习建模基本步骤,初步掌握Midas建模技能,便于对布置的课后作业解答结果进行验证;通过Midas建模也可以用来证实教材中已有的结论,达到加深学生知识掌握的目的［10］。

3 结语

Midas软件可以帮助学生更好地理解结构力学理论,掌握结构力学分析的方法和技巧。学生可以通过使用软件进行实际操作,学习如何建立结构的有限元模型、如何设置边界条件和加载条件、如何进行分析和求解等。这样的实践经历可以帮助学生更好地理解结构力学分析的过程和方法。

同时,还可以提高结构力学课程教学的实用性和趣味性。通过使用软件进行实际的结构分析和设计,学生可以更好地理解结构力学知识的应用价值,并且能够更加主动地参与到课堂讨论和实践操作中,帮助学生培养工程实践中的问题解决和创新能力。