【土力学实验的仿真软件研制】 土力学实验心得体会

　　摘要：土力学课程是土建专业的核心专业基础课，土力学实验是该课程的重要组成部分。使用VB程序对土力学实验进行模拟，研制了相应的仿真软件。该仿真软件将土体试样受力与变形以及逐步破坏的过程展现出来，具有形象逼真的特点。仿真软件提供了土力学实验步骤及原理的查询，与岩土有限元软件结合，还可以考虑多种土体本构模型。
　　关键词：计算机技术 仿真软件 土力学实验
　　中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)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 combining the finite element program of geotechnical engineering.
　　Key words: Computer technology;simulation program; experiment of soil mechanics
　　
　　土力学课程是土木工程、桥隧工程等专业所必修的专业基础课程，主要研究土的物理性质及其在外部荷载作用下的力学行为，是一门实践性很强的课程[1]。将计算机仿真技术应用到土力学实验中，可以将土力学实验的过程和结果形象逼真地展示给学生。使用可视化技术和多媒体技术，可以把文字、图片、视频整合到一起，可以将土体试样受力与变形过程展现出来，直到试样破坏。张百红[2]利用Matlab软件的热分析功能模块进行土力学的非饱和土渗流计算，结果表明使用Matlab软件对平面渗流场的求解,具有简单易学的特点,可以用来计算较复杂的例题。王常明[3]用Borland C++ Builder可视化开发环境开发了土力学实验模拟程序，用3DMax软件和Authorware多媒体程序编著演示部分。肖昭然[4]用Author ware平台开发土力学三轴实验课件的方法，并介绍了课件的结构流程、设计理念以及理论基础，在此平台上，学生能够完成对三轴实验的计算机模拟操作。这些仿真软件的应用，不仅能方便学生在实验前进行模拟操作训练，而且能够调动学生的学习积极性，使学生更深刻地掌握土力学课程的基本原理。本文使用VB程序研制了土力学实验仿真软件，介绍了该仿真软件的功能特点。
　　1、软件的开发程序语言
　　计算机仿真实验是通过相应的模拟程序在计算机上来完成实验过程的。我们选用的开发程序为VB（Visual Basic的简称），这是Microsoft公司推出的一种可视化应用程序开发工具。VB采用可视化的开发图形用户界面的方法，使用者一般不需要编写大量程序源代码去描述界面的外观和位置，而只要把需要的控件拖放到程序屏幕上的相应位置即可，使用者只要掌握常用控件的用法就可以建立实用的应用程序。程序运行通过后，可以形成可执行文件，点击该文件就可以进入仿真软件的用户界面。完成后的土力学实验仿真程序界面如图1所示。
　　2、仿真软件的功能
　　2.1 实验步骤及相关理论的查找功能
　　为使学生易于理解和使用，在仿真软件中介绍实验中试样的制作、施加荷载、观测的技术要领和详细过程。仿真软件中提供查找功能，学生可以在软件中方便的查阅与本实验相关的理论及相关的国家技术规范。比如在进行“直剪实验”时，可以在该软件上点击“步骤查询”这个按钮，这样就可以看到该实验步骤分为五步，分别为“(1)环刀切取试样；(2)试样放入盒中；(3)调整量力环百分表读数为零；(4)施加压力及水平力；(5)卸载取出损坏试样”。如果学生对某个步骤还要进一步了解，可以再点击所选的步骤，可以得到更加详细的解释。比如点击“试样放入盒中”，就可以看到详细描述如下“对准直剪仪上、下盒，插入固定销，使上、下盒固定，在试样上、下面各放一张不透水的塑料薄膜，将带土样的环刀平口向下，对准剪切盒口，用一透水石将试样徐徐推入盒内，移去环刀，最后装上加压盖板和钢珠。”
　　2.2 实现土力学实验过程的可视化
　　土力学实验的目的在于如何准确测定土体的各种物理及力学参数，如压缩性指标、抗剪强度指标等。因此，在研制土力学实验仿真系统时，遵循土力学实验的课堂教学规律，努力通过仿真软件模拟过程来揭示土的力学行为，尽力使软件界面形象生动，并且便于使用者操作。以“直剪实验”为例，通过对土体试样施加水平力，使试样在直剪仪上下盒的交界处错开破坏。破坏前和破坏后的试样示意图如图2和图3所示。
　　2.3 仿真系统中引入土体本构模型
　　由于土是一种松散介质，具有三相（固相、液相和气相）组成，其力学性质远远比金属固体材料复杂,所以土的本构模型也更加复杂。在实验仿真软件中，引入几种较为经典的土体本构模型进行计算机模拟，可以让学生更深入体会土体的复杂性及其本构模型对实验结果的影响。我们利用岩土工程有限元软件MIDAS/GTS，对土力学实验进行模拟，可以得到土体位移及应力分布图，计算结果可以导入我们的仿真系统中。这样可以利用已有的商业软件中的多种土体本构模型,比如莫尔库伦模型、邓肯－张模型等。直剪试验中，土体试样破坏时的应力图如图4所示。
　　2.4 对实验结果的曲线实时显示
　　本仿真软件操作尽量采用鼠标点击或者文件导入的形式来输入数据，可以减少数据的手工逐项输入，从而减少人与计算机交互过程中的失误，也提高了数据输入效率。在模拟过程中可以随时显示实验结果的实时曲线，如荷载与位移的关系曲线，与实际实验过程相一致。学生可以利用仿真软件模拟的结果数据进行处理，绘制各种变化曲线，获得所需的各种力学参数。
　　3、仿真软件在教学中的应用
　　从上述的功能描述可以看出，本实验仿真系统具有以下特点：(1)操作简单，便于使用，多数情况下只需点击按钮；(2)可视性较强，可以看到土力学实验的全过程，并以直观形象的图形表现出来；(3)仿真程序遵循土力学实验原理，较真实地反映土体试样的力学行为；(4)对试件进行实验加荷后立即可以得到变形结果；(5)交互性较强，操作者可以输入土体试样大小、荷载大小、加载速率等各种信息，可以获得实验结果数据及变化曲线。
　　本实验仿真系统被应用到土力学教学中，主要在两种情况下：一是在课堂里讲解实验原理时，将土体试样受力与变形过程展现出来，使学生更深刻地理解土力学的基本原理。二是在实验前让学生进行计算机操作，能够调动学生的学习积极性，使学生更深入地掌握土力学实验的基本步骤。
　　4、结语
　　仿真实验软件是通过操作计算机程序来模拟完成实验过程，不受实验室场地、实验设备、实验材料的限制，是培养学生综合创新能力的一种新手段。仿真实验为学生提供了一种虚拟实验环境，在这种环境下学生可以反复进行操作,并且快速获得实验结果，其方便性是实际实验所不可比拟的。仿真实验作为一种全新的教学手段，有助于激发学生学习专业知识的兴趣，在实验经费和实验设备受到限制的条件下，开展计算机仿真教学具有应用推广前景。但如何结合各自的专业特点，开发适合本专业学生使用的仿真软件，还有很多相关的问题需要深入探讨。
　　参考文献
　　[1]李广信,吕禾,张建红.土力学课程中的实践教学.实验技术与管理,2006,23(12):13-15.
　　[2]张百红.二维渗流场的MATLAB仿真在土力学教学改革中的应用.高等建筑教育,2006,15(4):97-99.
　　[3]王常明,王清,范建华,齐放.计算机仿真在土力学实验教学中的应用.高等建筑教育,2005,14(4):96-98.
　　[4]肖昭然,张昭,王凯.土力学三轴实验的计算机仿真.计算机辅助设计与图形学学报,2004,16(3):375-377.
　　作者简介
　　陈国周，博士，讲师，教研室主任，从事岩土工程科研与教学工作。张建勋，博士，教授，副校长。
　　基金项目
　　福建工程学院项目(编号:SJ2009028, GJ-K-08-14)
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