土木工程實驗教學的虛擬仿真平臺設計

郭恒寧, 賀志啟, 劉 艷, 宗周紅

(東南大學 土木工程學院, 江蘇 南京 211189)

土木工程專業的許多結構試驗具有破壞性強、耗費高、相對危險等特點。東南大學土木工程專業的大二、大三學生(每屆約300多人)都會在實驗室參加實體結構模型的專業實驗。為了驗證混凝土結構設計理論,一般需要對鋼筋混凝土實體構件進行破壞性試驗,因而試驗成本比較高。隨著現代科技的發展和數值仿真技術的應用,混凝土構件的試驗可以利用仿真實驗教學軟件完成[1-3]。

1 虛擬仿真實驗的特點和優勢

虛擬仿真實驗是將常規實體結構實驗用計算機、數據采集系統和軟件等進行模擬、設計和數據采集的實現過程,具有以下優勢：

(1) 改變以往被動參與實驗過程的狀況,培養學生自己動手建立和設計仿真模型并進行模擬數據采集的能力,加深對實驗過程和狀態變化的理論認識；

(2) 減少大型實驗構件材料的消耗,減少儀器、設備的占用時間；

(3) 學生可主動設計仿真結構實驗模型,可改進設計和反復實驗而不必擔心實驗成本問題,因而大大提高學生的學習興趣,可更好地培養學生的創新性思維和創新實踐能力[4]。

LabVIEW是美國國家儀器公司(NI)推出的軟件平臺,是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件開發集成環境,是標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW目前已在電子、儀器等專業的大學生實驗教學中得到了廣泛應用,顯示出強大的虛擬仿真實驗能力。在土木工程領域,LabVIEW已在一些大型工程的健康監測系統中(例如大型橋梁工程、FAST巨型望遠鏡工程)得到了應用,但在高校的土木工程結構實驗教學中的研究和應用還有待于進一步開發[5-8]。

2 虛擬仿真實驗教學平臺的構建

首先,設想通過虛擬仿真軟件LabVIEW和以往的實驗數據,搭建土木工程結構中的基礎實驗平臺,并根據實驗數據和理論公式對實驗過程、實驗數據進行分析處理,畫出相關曲線,得出實驗結果以驗證理論課程的相關內容,由此逐步建立一個較完善的虛擬仿真實驗平臺,以滿足“工程結構設計原理”中對鋼筋混凝土構件的實驗內容和要求。

針對本科教學的RC矩形截面梁受彎和受剪教學實驗,基于現場數據采集、數值模擬,通過LabVIEW等軟件構建虛擬仿真實驗平臺,期望呈現試驗梁受力過程中力學性能的演變(包括鋼筋應變、結構位移、破壞形態等)。

通過虛擬仿真實驗平臺,學生既可以加深對理論知識的理解,又可以仿真實際的混凝土結構實驗,加強對課程概念的理解和認識過程,最終通過該仿真平臺逐步減少和替代傳統足尺的鋼筋混凝土結構實驗,以降低實驗費用和儀器設備資源的占用[9]。

3 仿真實驗平臺的設計

以本科生“工程結構設計原理”課程相關的基礎實驗“短期荷載下單筋矩形截面梁正截面受彎承載力實驗”和“鋼筋混凝土受彎構件斜截面受剪承載力實驗”為背景,收集了相關的實驗內容、實驗數據和相關資料,通過LabVIEW等軟件,初步搭建RC矩形截面梁受彎和受剪實驗的虛擬仿真實驗平臺[10]。通過該仿真實驗平臺,學生可以嘗試虛擬仿真實驗過程,采集相應的仿真實驗數據,并可通過觀看現場實驗過程的照片獲取更直觀的感性認識,通過軟件平臺實現實驗過程的內容和操作,最終生成初步的實驗報告。

在實驗開始前,設計好鋼筋混凝土梁的截面尺寸和內部配筋(見圖1),設計加載方案中力的分布和作用點的位置(見圖2),完成受彎構件實驗的前期準備。

圖1 混凝土梁的配筋設計

圖2 混凝土梁的加載方案

然后在軟件中改變荷載的大小,分別獲取構件中的鋼筋應力、混凝土梁的表面變形及跨中撓度變化等重要參數的數據,并對實驗數據進行分析和處理,畫出相應的曲線。

在主程序中,學生可以完成對實驗梁施加荷載,記錄鋼筋應力、跨中撓度、混凝土表面應變等相關實驗數據,并畫出荷載應力曲線、荷載撓度曲線及應力應變曲線等。其中構件跨中撓度隨荷載變化的程序框圖(見圖3)、應力應變隨荷載變化的框圖(見圖4)以及用實驗平臺程序畫出的鋼筋荷載應力曲線。

圖3 構件跨中撓度隨荷載變化的程序框圖

圖4 應力應變隨荷載變化的程序框圖

用實驗平臺程序畫出實驗中的鋼筋隨荷載變化的應力曲線(見圖5),以及混凝土梁表面應變和變形曲線(見圖6),讓學生最終完成RC簡支梁的相應的荷載實驗過程和內容。

圖5 實驗中鋼筋荷載應力曲線

圖6 混凝土梁表面應變和變形曲線

4 結語

基于LabVIEW軟件、“工程結構設計原理”的理論知識、數據采集技術和以往實驗數據結果,搭建了“鋼筋混凝土受彎教學實驗平臺”,可以初步實現RC受彎混凝土梁在靜力荷載作用下的跨中撓度、鋼筋應力、彎矩以及破壞特征等相關數據的變化過程,并可對施加的每級荷載下的相關數據進行采集,處理數據并畫出相應的曲線,初步完成“工程結構設計原理”實驗教學要求的相關內容[11-12]。

“鋼筋混凝土受彎教學實驗平臺”是土木工程結構專業的實驗共享平臺,豐富了結構專業的多層次實驗教學模式,拓寬了學生的眼界,也提高了學生的創新實踐意識,為進一步構建綜合的、多層次的、創新實驗教學模式打下了良好的基礎。