【土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真軟件研制】土力學(xué)實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)

【土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真軟件研制】土力學(xué)實(shí)驗(yàn)心得體會(huì) 摘要：土力學(xué)課程是土建專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，土力學(xué)實(shí)驗(yàn)是該課程的重要組成部分。使用VB程序?qū)ν亮W(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，研制了相應(yīng)的仿真軟件。該仿真軟件將土體試樣受力與變形以及逐步破壞的過程展現(xiàn)出來，具有形象逼真的特點(diǎn)。仿真軟件提供了土力學(xué)實(shí)驗(yàn)步驟及原理的查詢，與巖土有限元軟件結(jié)合，還可以考慮多種土體本構(gòu)模型。 關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)技術(shù) 仿真軟件 土力學(xué)實(shí)驗(yàn) ：TU43 ：A ：1007-9416(xx)01-0119-02 Simulation program for experiment of soil mechanics CHEN Guo-zhou ZHANG Jian-xun (Civil Engineering department of Fujian University of Technology, Fuzhou, 350108,China) Abstract: Soil mechanics is the core class of civil engineering. The soil experiment is the important part of the class. Visual Basic program language is used to develop a simulation program for experiment of soil mechanics. The deformation and progressive failure of the soil specimen can be shown by the simulation program. The simulation program supposes the explanation for the soil experiment procedure and the principles of soil mechanics. Several soil constitutional laws are considered by bining the finite element program of geotechnical engineering. Key words: Computer technology;simulation program; experiment of soil mechanics 土力學(xué)課程是土木工程、橋隧工程等專業(yè)所必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要研究土的物理性質(zhì)及其在外部荷載作用下的力學(xué)行為，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程1。將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到土力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以將土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果形象逼真地展示給學(xué)生。使用可視化技術(shù)和多媒體技術(shù)，可以把文字、圖片、視頻整合到一起，可以將土體試樣受力與變形過程展現(xiàn)出來，直到試樣破壞。張百紅2利用Matlab軟件的熱分析功能模塊進(jìn)行土力學(xué)的非飽和土滲流計(jì)算，結(jié)果表明使用Matlab軟件對(duì)平面滲流場(chǎng)的求解,具有簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn),可以用來計(jì)算較復(fù)雜的例題。王常明3用Borland C+ Builder可視化開發(fā)環(huán)境開發(fā)了土力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M程序，用3DMax軟件和Authorware多媒體程序編著演示部分。肖昭然4用Author ware平臺(tái)開發(fā)土力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)課件的方法，并介紹了課件的結(jié)構(gòu)流程、設(shè)計(jì)理念以及理論基礎(chǔ)，在此平臺(tái)上，學(xué)生能夠完成對(duì)三軸實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)模擬操作。這些仿真軟件的應(yīng)用，不僅能方便學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行模擬操作訓(xùn)練，而且能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生更深刻地掌握土力學(xué)課程的基本原理。本文使用VB程序研制了土力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件，介紹了該仿真軟件的功能特點(diǎn)。 1、軟件的開發(fā)程序語(yǔ)言 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)是通過相應(yīng)的模擬程序在計(jì)算機(jī)上來完成實(shí)驗(yàn)過程的。我們選用的開發(fā)程序?yàn)閂B（Visual Basic的簡(jiǎn)稱），這是Microsoft公司推出的一種可視化應(yīng)用程序開發(fā)工具。VB采用可視化的開發(fā)圖形用戶界面的方法，使用者一般不需要編寫大量程序源代碼去描述界面的外觀和位置，而只要把需要的控件拖放到程序屏幕上的相應(yīng)位置即可，使用者只要掌握常用控件的用法就可以建立實(shí)用的應(yīng)用程序。程序運(yùn)行通過后，可以形成可執(zhí)行文件，點(diǎn)擊該文件就可以進(jìn)入仿真軟件的用戶界面。完成后的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真程序界面如圖1所示。 2、仿真軟件的功能 2.1 實(shí)驗(yàn)步驟及相關(guān)理論的查找功能 為使學(xué)生易于理解和使用，在仿真軟件中介紹實(shí)驗(yàn)中試樣的制作、施加荷載、觀測(cè)的技術(shù)要領(lǐng)和詳細(xì)過程。仿真軟件中提供查找功能，學(xué)生可以在軟件中方便的查閱與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論及相關(guān)的國(guó)家技術(shù)規(guī)范。比如在進(jìn)行“直剪實(shí)驗(yàn)”時(shí)，可以在該軟件上點(diǎn)擊“步驟查詢”這個(gè)按鈕，這樣就可以看到該實(shí)驗(yàn)步驟分為五步，分別為“(1)環(huán)刀切取試樣；(2)試樣放入盒中；(3)調(diào)整量力環(huán)百分表讀數(shù)為零；(4)施加壓力及水平力；(5)卸載取出損壞試樣”。如果學(xué)生對(duì)某個(gè)步驟還要進(jìn)一步了解，可以再點(diǎn)擊所選的步驟，可以得到更加詳細(xì)的解釋。比如點(diǎn)擊“試樣放入盒中”，就可以看到詳細(xì)描述如下“對(duì)準(zhǔn)直剪儀上、下盒，插入固定銷，使上、下盒固定，在試樣上、下面各放一張不透水的塑料薄膜，將帶土樣的環(huán)刀平口向下，對(duì)準(zhǔn)剪切盒口，用一透水石將試樣徐徐推入盒內(nèi)，移去環(huán)刀，最后裝上加壓蓋板和鋼珠。” 2.2 實(shí)現(xiàn)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程的可視化 土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的在于如何準(zhǔn)確測(cè)定土體的各種物理及力學(xué)參數(shù)，如壓縮性指標(biāo)、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)等。因此，在研制土力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)時(shí)，遵循土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)規(guī)律，努力通過仿真軟件模擬過程來揭示土的力學(xué)行為，盡力使軟件界面形象生動(dòng)，并且便于使用者操作。以“直剪實(shí)驗(yàn)”為例，通過對(duì)土體試樣施加水平力，使試樣在直剪儀上下盒的交界處錯(cuò)開破壞。破壞前和破壞后的試樣示意圖如圖2和圖3所示。 2.3 仿真系統(tǒng)中引入土體本構(gòu)模型 由于土是一種松散介質(zhì)，具有三相（固相、液相和氣相）組成，其力學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比金屬固體材料復(fù)雜,所以土的本構(gòu)模型也更加復(fù)雜。在實(shí)驗(yàn)仿真軟件中，引入幾種較為經(jīng)典的土體本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，可以讓學(xué)生更深入體會(huì)土體的復(fù)雜性及其本構(gòu)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。我們利用巖土工程有限元軟件MIDAS/GTS，對(duì)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，可以得到土體位移及應(yīng)力分布圖，計(jì)算結(jié)果可以導(dǎo)入我們的仿真系統(tǒng)中。這樣可以利用已有的商業(yè)軟件中的多種土體本構(gòu)模型,比如莫爾庫(kù)倫模型、鄧肯張模型等。直剪試驗(yàn)中，土體試樣破壞時(shí)的應(yīng)力圖如圖4所示。 2.4 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線實(shí)時(shí)顯示 本仿真軟件操作盡量采用鼠標(biāo)點(diǎn)擊或者文件導(dǎo)入的形式來輸入數(shù)據(jù)，可以減少數(shù)據(jù)的手工逐項(xiàng)輸入，從而減少人與計(jì)算機(jī)交互過程中的失誤，也提高了數(shù)據(jù)輸入效率。在模擬過程中可以隨時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果的實(shí)時(shí)曲線，如荷載與位移的關(guān)系曲線，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程相一致。學(xué)生可以利用仿真軟件模擬的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制各種變化曲線，獲得所需的各種力學(xué)參數(shù)。 3、仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用 從上述的功能描述可以看出，本實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)操作簡(jiǎn)單，便于使用，多數(shù)情況下只需點(diǎn)擊按鈕；(2)可視性較強(qiáng)，可以看到土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的全過程，并以直觀形象的圖形表現(xiàn)出來；(3)仿真程序遵循土力學(xué)實(shí)驗(yàn)原理，較真實(shí)地反映土體試樣的力學(xué)行為；(4)對(duì)試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加荷后立即可以得到變形結(jié)果；(5)交互性較強(qiáng)，操作者可以輸入土體試樣大小、荷載大小、加載速率等各種信息，可以獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)及變化曲線。 本實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)被應(yīng)用到土力學(xué)教學(xué)中，主要在兩種情況下：一是在課堂里講解實(shí)驗(yàn)原理時(shí)，將土體試樣受力與變形過程展現(xiàn)出來，使學(xué)生更深刻地理解土力學(xué)的基本原理。二是在實(shí)驗(yàn)前讓學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)操作，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生更深入地掌握土力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本步驟。 4、結(jié)語(yǔ) 仿真實(shí)驗(yàn)軟件是通過操作計(jì)算機(jī)程序來模擬完成實(shí)驗(yàn)過程，不受實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)材料的限制，是培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的一種新手段。仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了一種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在這種環(huán)境下學(xué)生可以反復(fù)進(jìn)行操作,并且快速獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其方便性是實(shí)際實(shí)驗(yàn)所不可比擬的。仿真實(shí)驗(yàn)作為一種全新的教學(xué)手段，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的興趣，在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備受到限制的條件下，開展計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)具有應(yīng)用推廣前景。但如何結(jié)合各自的專業(yè)特點(diǎn)，開發(fā)適合本專業(yè)學(xué)生使用的仿真軟件，還有很多相關(guān)的問題需要深入探討。 _ 1李廣信,呂禾,張建紅.土力學(xué)課程中的實(shí)踐教學(xué).實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,xx,23(12):13-15. 2張百紅.二維滲流場(chǎng)的MATLAB仿真在土力學(xué)教學(xué)改革中的應(yīng)用.高等建筑教育,xx,15(4):97-99. 3王常明,王清,范建華,齊放.計(jì)算機(jī)仿真在土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用.高等建筑教育,xx,14(4)