数值模拟课程中培养学生创新能力的教学探索.docx

数值模拟课程中培养学生创新能力的教学探索 组织和支配，以及恰当的教学方法有密不行分的关系。为此我们从以下四个方面进行教学改革。 构建“软件超市”，满意学生须要 为拓宽学生视野，尽可能满意学生的科研需求，适时选择多种土木工程常用分析软件，为探讨生构建了内容丰富的“软件超市”，软件超市包括ANSYS，FLAC，ABAQUS，SAP，ADINA，COMSOL等工程数值软件，学生可结合自己的爱好特长、探讨方向及论文课题等进行针对性学习。为了提高学习效率，要求学生在上课之前对所讲软件有基本的了解。给学生讲解并描述各种软件的特点、适用范围以及优缺点，以便利学生结合自己的课题需求选择合适的软件。 数值软件主要是计算理论的运用和数值算法的实现，要想完全驾驭并娴熟应用软件，必需要清晰该软件所运用的计算理论和数值算法，了解同一个问题用不同数值软件求解结果异同的缘由 。如ANSYS属于有限元软件，有限元法是用较简洁的问题代替困难问题后再求解，将求解域分成有限元互连子域，对每一单元假定一个合适的近似解，利用变分原理和最小势能原理推导求解该域总的满意条件，从而得到问题的解。而FLAC3D属于有限差分软件，其本质是在每个节点处建立差分格式的近似方程求解。数值解不是精确解，而是近似解。很多工程问题都归结于求解偏微分方程，不同软件采纳不同的方法而已，但殊途同归，最终都要收敛于精确解，这也是各种软件计算结果可以比较的基础。学生在学习过程中，可吸取各种软件的学习阅历，举一反三，融会贯穿。 由浅入深，以基本理论为本 具备扎实的专业学问和良好的专业素养是培育高水平探讨生的主要目的。探讨生在学习软件过程中往往存在基本概念模糊，理论一知半解，好高骛远、急于求成等问题，教学中应强调基本概念的重要性。 在教学实践中，我们结合简洁算例介绍基本理论，并留意提高学生手算的实力，通过手算和机算对比，一方面巩固学生的基本力学学问，另一方面还可以检验学生的学习效果。比如，以简洁桁架结构为例对手工计算方法予以说明，进而归纳总结出计算步骤。这样一方面回顾了前面所学基础学问理论，另一方面驾驭了数值软件的基本操作。从简洁问题起先，由浅入深，等驾驭了基本的操作吩咐，打好基础后，再给学生支配肯定的课下操作练习进行强化。 不断强调课下实践的重要性，告诫学生不要好高骛远。切勿一起先就建立困难模型，因为困难模型难免出现大量错误而挫伤其学习主动性。因此，要从简洁模型起先，如力学教材中的例题和课后习题，先熟识各个操作吩咐，简洁的问题更简单进行程序的查错和调试。只有简洁模型没有问题之后，才能进行困难模型的训练。虽然在前期可能耽搁一些时间，但最终会产生事半功倍的效果。通过给学生布置任务，让学生带着问题自主学习，培育学生分析问题、解决问题的自学实力。 真实赛题训练，提高团队协作实力 学习数值分析软件的目的在于应用，尤其是实践性很强的土木工程应用学科，应变更过去老师讲，学生听，师生互动少、学习效果不佳的状况。在教学过程中，我们激励学生以小组探讨形式，共同完成一个问题的数值模拟。每次探讨，我们都遵循“问题建模计算分析评价”的分析过程。为了激发学生的学习爱好和主动性，做到学以致用，我们曾以山东省高校生结构设计大赛的真实赛题为任务，该赛题须要设计并制作一双竹结构高跷模型进行加载测试。在教学过程中，将学生分成若干设计小组，由每个小组设计模型方案，然后运用一到两个不同的数值分析软件完成模型建模及加载分析等内容，要求在规定的时间内完成设计作品和数值分析，并由各小组的组长在全班面前进行作品展示。期间其他各小组成员对该组作品进行打分，设计作品的成果由学生评价与老师评价相结合给出。此项措施加深了学生对软件的相识和驾驭程度，同时也提高了学生的团队协作实力，取得了不错效果。在教学实践中，我们还激励学生运用多个软件分析同一个问题，加深其对数值分析理论和方法的理解。 案例教学，提高解决工程问题实力 本课程的主要内容是软件的学与用，其中“学”是手段，“用”是目的。课程教学要与工程实践相结合，否则学生感觉基础理论学问太过抽象，难以理解和驾驭。要使学生清晰知道为什么学习本课程，习得学问可解决哪些实际问题，如何利用课程学问分析、解决工程实际问题。同时，针对个别软件前处理的不便，我们特地开发了FLAC3D前处理分析程序6，介绍了困难地质建模前处理方法在岩石力学数值试验教学中的应用。 对于工科探讨生来讲，学习数值分析软件最重要的就是解决工程实际问题。授课老师可结合自己的探讨课题、科研项目，在教学中适当讲解一些详细工程实例，介绍自己的科研过程以及心得体会。下面简洁列举几个工程实例的数值模拟教学内容。 1.大型储油罐抗震及隔震分析 储油罐是石油和自然气资源利用、再生产和供应的重要基础性设施，我们针对其抗震问题进行数值模拟的讲解。比如几何模型的建立方法、有限元网格的剖分技巧、土体与结构动力相互作用、人工边界的设置、地基材料的本构模型选择、地震波的选择与输入、罐底和基础之间的非线性接触效应等。在隔震方面，以大型LNG储罐为例，介绍预应力钢筋的建模方法、隔震夹层橡胶支座的数值建模技巧和其参数的合理选取。 2.大型土-海底沉管隧道体系的地震响应 通过此案例，介绍土-隧道摩擦接触面的单元选择，弹簧单元的施加，多层非匀称软土地基的建模，行波激励的数值模拟实现，以及动水压力的简化分析方法等。不仅让学生了解软件的应用状况，而且还穿插介绍相关的理论学问，拓宽了其学问面。 3.大型LNG储罐抗爆分析 储罐的抗爆问题难以用物理试验完成，而数值模拟则可解决该问题。以董家口港大型LNG为例，给学生讲解如何采纳ANSYS软件进行建模前处理，如何利用LS-DYNA软件分析后处理方法，探讨爆炸冲击荷载作用下LNG储罐的动力响应特点，并分析多种工况下罐体的变形规律和应力响应分布。 4.LNG储罐球形混凝土穹顶的热应力及裂缝分布 以山东某LNG接收站的一个16万m3大型LNG储罐钢筋混凝土穹顶为例进行数值计算。采纳ADINA有限元软件建立精细化的有限元模型，模拟LNG储罐穹顶分段浇筑过程中的早期温度场分布，并将数值计算结果与现场测试结果进行对比。数值分析时考虑了混凝土徐变及龄期效应，对混凝土穹顶的温度场和应力场进行耦合计算，得到穹顶的热应力分布及裂缝发展状况。 可见数值模拟技术在替代物理试验方面具有较强的优越性，驾驭好数值软件是非常必要的。在教学过程中，考虑到石油高校的特色，有侧重地讲解了特种结构的数值模拟试验技术和模拟过程。通过实际工程案例教学，让学生切实感受到数值软件强大的求解实力和胜利解决问题的全过程，进而激发学习的爱好和主动性，熬炼学生利用数值分析工具解决实际工程问题的实力。 四、教学效果 为了保证教学质量，土木工程分析软件与应用课程均由具有博士学位，数学和力学学问基础扎实，亦对数值分析软件有丰富应用阅历的青年老师主讲，至今已经进行了3年的教学实践。由于教学实践效果良好，土木工程分析软件与应用课程已纳入中国石油高校核心课程建设和土木工程学术硕士点建设项目。学生结课论文选题广泛，如盐穴储气库密封性数值模拟探讨LNG储罐内罐地震响应分析大型LNG储罐在泄漏状态下的静力分析断层错动下埋地管线响应计算分析地震作用下碎石桩复合地基加固机理分析钢结构楼梯主结构的弹塑性分析地震作用下预应力钢筋混凝土悬臂梁的两种单元模拟分析等，类型多样，同时也体现了中国石油高校的特色，其中石油工业方面的数值仿真试验题目比例较大。 上课学生普遍反映，通过课程学习，提高了科研实力和探讨效率。據统计，上课学生中多人胜利申请了中国石油高校自主创新科研安排探讨生基金项目，并以第一作者身份在EI期刊发表多篇论文。同时，该课程教学效果也得到探讨生导师们的一样确定，提高了探讨生的创新实力和培育质量，增加了其就业竞争力。 参考文献： 1朱正国，朱桃杏，王道远.工科院校实施创新教化的几点思索J.教化探究，2022：22-23. 2董倩，刘东燕，黄林青.卓越土木工程师实践教学体系构建J.中国高校教学，2022：77-80. 3张敏，鞠春华.高校生创新实力培育的探讨J.教化探究，2022：5-6. 4李连崇，马天辉，梁正召，等.基于数值仿真的土木工程试验教学改进与实践J.试验技术与管理，2022，30：83-86. 5杨勇，郭子雄.数值模拟试验在土木工程专业课程教学中的应用J.高等建筑教化，2022，14：65-67. 6杨文东，张艳美，俞然刚，等.困难地质建模前处理方法在岩石力学数值试验教学中的应用J.试验技术与管理，2022，31：179-182. 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页