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結(jié)構(gòu)分析中有限元法課程建設(shè)的問(wèn)題和方式的論文

時(shí)間:2024-10-17 11:14:01 其他類(lèi)論文 我要投稿

結(jié)構(gòu)分析中有限元法課程建設(shè)的問(wèn)題和方式的論文

  隨著復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)及巨型結(jié)構(gòu)的大量出現(xiàn),在土木、水利等工程專(zhuān)業(yè)本科生中加強(qiáng)結(jié)構(gòu)分析能力(包括電算能力)的培養(yǎng)顯得尤為迫切。筆者將結(jié)構(gòu)力學(xué)中的“矩陣位移法”和彈性力學(xué)中的“有限元法”有機(jī)結(jié)合,按照培養(yǎng)創(chuàng)新型高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才的要求建設(shè)了結(jié)構(gòu)分析中的有限元法課程,精心編寫(xiě)并出版了該課程所用的教材和電算程序。根據(jù)該課程的特點(diǎn),對(duì)課堂教學(xué)、上機(jī)實(shí)習(xí)和考試等教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革,充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用,取得了良好的教學(xué)效果。

結(jié)構(gòu)分析中有限元法課程建設(shè)的問(wèn)題和方式的論文

  關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)分析;有限元法;課程建設(shè)

  中圖分類(lèi)號(hào):G6423文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):

  10052909(2015)02005304

  一、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)分析能力的培養(yǎng)是課程建設(shè)的初衷

  在土木、水利等本科工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)過(guò)程中,通過(guò)前期基礎(chǔ)課程和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí),學(xué)生初步具備了對(duì)計(jì)算工作量不大的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的能力。如通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程經(jīng)典理論的學(xué)習(xí),學(xué)生可以對(duì)靜定平面桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,也可用力法或位移法等方法分析未知量較少的超靜定平面桿系結(jié)構(gòu),計(jì)算其內(nèi)力和位移。通過(guò)彈性力學(xué)基本理論的學(xué)習(xí),學(xué)生可求出幾何形狀規(guī)則(如矩形或圓形)、邊界條件簡(jiǎn)單(如四邊固支或四邊鉸支)的結(jié)構(gòu)在單一荷載(如均布荷載)作用下的內(nèi)力解析值。

  隨著各行各業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的深入開(kāi)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速推進(jìn),房地產(chǎn)和土木工程建筑行業(yè)已成為國(guó)家的重要支柱產(chǎn)業(yè),與之相伴的是大跨度結(jié)構(gòu)、高層高聳結(jié)構(gòu)等各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和巨型結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。這些結(jié)構(gòu)中,有些是形狀、邊界、荷載等較復(fù)雜的連續(xù)體板殼結(jié)構(gòu)或?qū)嶓w結(jié)構(gòu),有些雖是桿系結(jié)構(gòu),但卻是空間桿系結(jié)構(gòu)或計(jì)算工作量龐大的平面桿系結(jié)構(gòu),還有些是桿系結(jié)構(gòu)與連續(xù)體結(jié)構(gòu)的組合體。無(wú)論對(duì)以上哪種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,都必須利用數(shù)值分析法才能進(jìn)行,學(xué)生既有知識(shí)已明顯不足。

  在一般本科院校開(kāi)設(shè)的結(jié)構(gòu)力學(xué)課程體系中,通常都要介紹適合數(shù)值分析的矩陣位移法。但有的僅講述了矩陣位移法基本原理而未涉及程序使用,有的雖然讓學(xué)生使用了部分程序,卻較少或幾乎不涉及對(duì)空間桿系結(jié)構(gòu)的分析。實(shí)際工程中較為復(fù)雜的連續(xù)體結(jié)構(gòu),必須要用彈性力學(xué)有限元法對(duì)其進(jìn)行分析,這方面的知識(shí)學(xué)生更是欠缺。

  基于以上現(xiàn)狀,為加強(qiáng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的能力培養(yǎng),筆者作了有益的探索。在改革教學(xué)體系和課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上,將結(jié)構(gòu)力學(xué)中的矩陣位移法和彈性力學(xué)中的有限元法結(jié)合,建設(shè)了結(jié)構(gòu)分析中的有限元法課程,并編制了教學(xué)用計(jì)算機(jī)程序。

  二、精心編寫(xiě)教材是課程建設(shè)的核心

  結(jié)構(gòu)分析中的有限元法課程建設(shè),首先要根據(jù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求,特別是培養(yǎng)創(chuàng)新型高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才的要求,改革教學(xué)體系和課程內(nèi)容,并制定相應(yīng)的課程教學(xué)大綱,然后確定教材的編寫(xiě)原則,并精心組織教材和教學(xué)資料的編寫(xiě)。

 。ㄒ唬┱J(rèn)真改革課程教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容

  近年來(lái),在多次討論并征求意見(jiàn)的基礎(chǔ)上,全國(guó)土木工程專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)制定了《土木工程專(zhuān)業(yè)規(guī)范》。該專(zhuān)業(yè)規(guī)范將土木工程專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)明確為:培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)需要,德智體美全面發(fā)展,掌握土木工程學(xué)科的基本原理和基本知識(shí),獲得工程師基本訓(xùn)練,能勝任建筑、橋梁、隧道等各類(lèi)土木工程設(shè)施的設(shè)計(jì)、施工與管理,具有扎實(shí)基礎(chǔ)、寬厚專(zhuān)業(yè)知識(shí)和良好實(shí)踐能力與一定創(chuàng)新能力的高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才。根據(jù)該專(zhuān)業(yè)規(guī)范制定的培養(yǎng)目標(biāo),應(yīng)按照“寬口徑、厚基礎(chǔ)、高素質(zhì)、強(qiáng)能力” 的要求培養(yǎng)土木工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生。

  為了培養(yǎng)具有寬厚力學(xué)基礎(chǔ)的創(chuàng)新型土木工程專(zhuān)業(yè)人才,對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革。將結(jié)構(gòu)力學(xué)中的基礎(chǔ)部分內(nèi)容,包括靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移計(jì)算、超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移計(jì)算以及影響線等開(kāi)設(shè)為結(jié)構(gòu)力學(xué)Ⅰ。將結(jié)構(gòu)力學(xué)中的專(zhuān)題部分內(nèi)容,如結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算以及結(jié)構(gòu)的極限荷載等,開(kāi)設(shè)為結(jié)構(gòu)力學(xué)Ⅱ。將結(jié)構(gòu)力學(xué)中的矩陣位移法與彈性力學(xué)中的有限元法結(jié)合在一起,建設(shè)了結(jié)構(gòu)分析中的有限元法課程。通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)Ⅰ、結(jié)構(gòu)力學(xué)Ⅱ和彈性力學(xué)等課程的教學(xué),面向土木工程寬口徑夯實(shí)力學(xué)基礎(chǔ),培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)素質(zhì)。

  在確定結(jié)構(gòu)分析中有限元法課程的教學(xué)內(nèi)容時(shí),必須充分體現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才這一要求。為此,既要介紹矩陣位移法的基本原理,也要講述將該基本原理應(yīng)用于各種平面和空間桿系結(jié)構(gòu)的分析方法,還要介紹應(yīng)用彈性力學(xué)有限元法分析連續(xù)體結(jié)構(gòu)的方法。另外,在該課程的教學(xué)過(guò)程中,應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)生的電算能力,使學(xué)生初步具備使用、編制計(jì)算機(jī)程序分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力,同時(shí),也為其在今后的學(xué)習(xí)和工作中正確選擇和有效使用大型的綜合性程序打下基礎(chǔ)。

  在改革教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,制定了結(jié)構(gòu)分析中的有限元法課程教學(xué)大綱,包括理論課教學(xué)大綱和上機(jī)實(shí)習(xí)大綱。

 。ǘ┓磸(fù)推敲教材的編寫(xiě)原則

  教材是課程內(nèi)容的載體,也是教學(xué)改革成果的集中體現(xiàn),其在課程建設(shè)過(guò)程中具有舉足輕重的作用。為了將教學(xué)體系和課程內(nèi)容改革的成果內(nèi)化到教材中,經(jīng)多次討論,明確了在教材的體系方面“有機(jī)結(jié)合”,教學(xué)程序的編制方面“直接過(guò)渡”,教學(xué)輔助資料方面“配套建設(shè)”的編寫(xiě)原則。

  在教材的體系組織方面,要將矩陣位移法與彈性力學(xué)有限元法有機(jī)結(jié)合,先以平面剛架結(jié)構(gòu)為例,講清講透矩陣位移法的基本原理和計(jì)算步驟。其他平面和空間桿系結(jié)構(gòu)與平面剛架結(jié)構(gòu)不同之處(如單元?jiǎng)偠染仃嚨姆治龅龋⿷?yīng)詳講,相同之處(如整體剛度矩陣的形成方式等)可略講。考慮到彈性力學(xué)有限元法的計(jì)算步驟與矩陣位移法基本相同,在重點(diǎn)講解不同之處(如單元位移模式、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等)后,可將矩陣位移法計(jì)算步驟直接應(yīng)用于彈性力學(xué)有限元法。另外,在教材中還要適當(dāng)介紹動(dòng)力學(xué)方面的有關(guān)內(nèi)容。

  在教學(xué)程序的編制方面,要由基本原理直接過(guò)渡到計(jì)算機(jī)程序,并將C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言。譬如,在講完用矩陣位移法計(jì)算平面剛架結(jié)構(gòu)的基本原理和計(jì)算步驟后,直接將計(jì)算步驟轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦蚩驁D、基本原理轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算程序。由于目前計(jì)算機(jī)的內(nèi)存足夠大、運(yùn)行速度足夠快,程序編制時(shí)可不必再涉及一些編程技巧(如總剛度矩陣的等帶寬存儲(chǔ)或變帶寬存儲(chǔ)等)?紤]到大多數(shù)院校的算法語(yǔ)言課開(kāi)設(shè)C語(yǔ)言這一實(shí)際情況,以及目前國(guó)際上有限元編程的發(fā)展趨勢(shì),教材中選用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言。

  在教學(xué)輔助資料方面進(jìn)行配套建設(shè),一是建設(shè)多媒體課件,二是建設(shè)上機(jī)實(shí)習(xí)指導(dǎo)資料。由于課程中的公式符號(hào)較多,且計(jì)算步驟中大量采用矩陣運(yùn)算,因此,特別適合采用多媒體手段進(jìn)行教學(xué)。課程是實(shí)踐性較強(qiáng)的一門(mén)課程,必須通過(guò)大量的上機(jī)實(shí)習(xí),學(xué)生才能真正掌握有限元法的基本原理。故在編寫(xiě)教材的同時(shí),既要同步建設(shè)與之配套的多媒體課件,也要建設(shè)上機(jī)實(shí)習(xí)指導(dǎo)資料,并提出上機(jī)實(shí)習(xí)的具體要求。

 。ㄈ┚慕M織教材的編寫(xiě)實(shí)施

  在確定教材的編寫(xiě)原則后,結(jié)合教學(xué)大綱的要求精心制定編寫(xiě)大綱,認(rèn)真統(tǒng)一編寫(xiě)格式,反復(fù)推敲編寫(xiě)內(nèi)容,配套建設(shè)教輔資源。

  首先,精心制定編寫(xiě)大綱。由主編制定出教材的編寫(xiě)大綱,該編寫(xiě)大綱細(xì)化到每一章節(jié)的每一個(gè)具體知識(shí)點(diǎn)。在召集參編教師多次討論定稿后,分發(fā)給每一位進(jìn)行編寫(xiě)。

  考慮到學(xué)時(shí)有限,教材中安排了六章內(nèi)容,分別是矩陣位移法基本原理及平面剛架的計(jì)算、矩陣位移法計(jì)算各種桿系結(jié)構(gòu)、桿系結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)分析、彈性力學(xué)的基本方程、彈性力學(xué)平面問(wèn)題、彈性力學(xué)空間問(wèn)題。為了減少教材篇幅,部分計(jì)算程序和上機(jī)操作指導(dǎo)以光盤(pán)的形式提供。

  其次,認(rèn)真統(tǒng)一編寫(xiě)格式。在給各位參編教師分配編寫(xiě)內(nèi)容的同時(shí),主編還選擇了部分典型內(nèi)容進(jìn)行編寫(xiě),制定出編寫(xiě)樣張供大家參考。在編寫(xiě)樣張中,對(duì)教材的編排方式進(jìn)行了統(tǒng)一約定,如章節(jié)的編號(hào)方式、各節(jié)里大小標(biāo)題的編號(hào)方式、插圖的表示方法、各種物理量的表示方法、符號(hào)(包括上下標(biāo))的正斜體、圖文的對(duì)應(yīng)方式、需強(qiáng)調(diào)內(nèi)容的表示方法,等等。此外,還對(duì)插圖的繪制方法進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)定,包括線寬大小、支座的繪制、箭頭的大小、尺寸線的標(biāo)注方法等,并制作成基本圖素提供給各位編者。通過(guò)這一系列的措施,既保證了教材的編寫(xiě)質(zhì)量,也統(tǒng)一了不同編者的編寫(xiě)風(fēng)格。

  第三,反復(fù)推敲編寫(xiě)內(nèi)容。各位編者在明確自己承擔(dān)的編寫(xiě)內(nèi)容后,根據(jù)編寫(xiě)原則和編寫(xiě)大綱的要求,在學(xué)習(xí)借鑒其他優(yōu)秀教材或?qū)V幕A(chǔ)上,認(rèn)真組織材料進(jìn)行編寫(xiě)。敘述時(shí)既要嚴(yán)密、嚴(yán)謹(jǐn),又要做到通俗易懂、循序漸進(jìn)。例題和習(xí)題要精選,以訓(xùn)練學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握為主。編者將完成的初稿交給主編審閱后進(jìn)行修改,反復(fù)修改討論后,形成最終的教材文稿。

  最后,配套建設(shè)教輔資源。為了方便學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué),按照教材立體化建設(shè)的要求,配套建設(shè)了適用于該教材的多媒體課件。另外,還建設(shè)了上機(jī)實(shí)習(xí)輔助資料,如上機(jī)實(shí)習(xí)指示書(shū)、上機(jī)實(shí)習(xí)任務(wù)書(shū)、上機(jī)實(shí)習(xí)作業(yè)等。

  三、提高教學(xué)質(zhì)量是課程建設(shè)的宗旨

  教學(xué)改革和課程建設(shè)的最終目的是提高教學(xué)質(zhì)量,而提高教學(xué)質(zhì)量必須針對(duì)“教”和“學(xué)”兩個(gè)方面進(jìn)行改革。

 。ㄒ唬┏浞职l(fā)揮教師的主導(dǎo)作用以提高教學(xué)質(zhì)量

  結(jié)構(gòu)分析中的有限元法課程具有公式復(fù)雜、計(jì)算量大且理論與上機(jī)實(shí)習(xí)聯(lián)系緊密的特點(diǎn),這就決定了不可能也不應(yīng)該以期末考試作為衡量學(xué)生學(xué)習(xí)效果的唯一標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)認(rèn)真討論,確定了期末考試占50%,平時(shí)作業(yè)占20%,上機(jī)實(shí)習(xí)占30%的綜合成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn),教師在課堂教學(xué)、平時(shí)作業(yè)布置及檢查、上機(jī)實(shí)習(xí)指導(dǎo)等各方面,都要付出更多心血。

  在課堂教學(xué)方面,除了改革教學(xué)方法和教學(xué)手段,將多媒體教學(xué)手段與傳統(tǒng)教學(xué)手段和諧統(tǒng)一,充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)外,還要考慮哪些內(nèi)容需要詳細(xì)講解,哪些內(nèi)容需要引導(dǎo)學(xué)生自學(xué),哪些內(nèi)容需要讓學(xué)生通過(guò)上機(jī)實(shí)習(xí)加深理解。如:第一章矩陣位移法基本原理及平面剛架的計(jì)算需要詳細(xì)講解,第二章在講清各種桿系結(jié)構(gòu)與平面剛架結(jié)構(gòu)的不同之處后,具體計(jì)算步驟和算例可讓學(xué)生自學(xué)。

  在布置平時(shí)作業(yè)時(shí),應(yīng)考慮哪些內(nèi)容需要學(xué)生完成書(shū)面作業(yè)以進(jìn)一步掌握,哪些內(nèi)容需要學(xué)生撰寫(xiě)課程小論文以加深理解。如第一章需布置書(shū)面作業(yè),第五章用有限元法解彈性力學(xué)平面問(wèn)題可布置小論文。學(xué)生通過(guò)撰寫(xiě)論文的形式,加深對(duì)有限元法的分析過(guò)程理解。無(wú)論對(duì)書(shū)面作業(yè)或課程小論文,都要認(rèn)真批改,以評(píng)定學(xué)生20%的平時(shí)成績(jī)。

  上機(jī)實(shí)習(xí)作業(yè)應(yīng)與課堂教學(xué)內(nèi)容和平時(shí)作業(yè)相輔相成。對(duì)必須掌握的內(nèi)容,例如使用教材提供的程序?qū)Ω鞣N結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算等,可布置作業(yè),同時(shí)要布置選做作業(yè)讓學(xué)生自編小程序計(jì)算簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)或修改已有程序計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu),要加強(qiáng)上機(jī)實(shí)習(xí)指導(dǎo)和考察,以檢查學(xué)生完成上機(jī)實(shí)習(xí)作業(yè)的情況,據(jù)此評(píng)定其30%的上機(jī)實(shí)習(xí)成績(jī)。

 。ǘ┣袑(shí)發(fā)揮學(xué)生的主體作用以提高學(xué)習(xí)質(zhì)量

  近幾年來(lái),在重慶大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè)結(jié)構(gòu)分析有限元法課程教學(xué)中,一開(kāi)始就宣布了以上評(píng)定成績(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生明確了在理論課學(xué)習(xí)和平時(shí)作業(yè)完成以及上機(jī)實(shí)習(xí)作業(yè)完成等各方面的要求和考核標(biāo)準(zhǔn)后,學(xué)習(xí)更加積極主動(dòng),取得了滿意的學(xué)習(xí)效果。

  在課堂學(xué)習(xí)中,無(wú)論是出勤率或是認(rèn)真聽(tīng)課的情況,都大有好轉(zhuǎn)。由于學(xué)生知道,占總成績(jī)50%的期末考試內(nèi)容將主要出自教師在課堂上重點(diǎn)講解的內(nèi)容,因此,除個(gè)別學(xué)生因故偶爾缺課外,幾乎沒(méi)有無(wú)故缺課的學(xué)生。

  平時(shí)作業(yè)布置了兩次書(shū)面作業(yè)和一個(gè)課程論文,大家都能按時(shí)完成,上機(jī)實(shí)習(xí)作業(yè)也完成得較好。在總共六次上機(jī)實(shí)習(xí)課中,除第一次讓學(xué)生熟悉操作環(huán)境而未布置作業(yè)外,其他五次均布置了作業(yè)。所有學(xué)生都保質(zhì)保量完成了必做作業(yè),部分學(xué)生還完成了選做作業(yè)。在教師的指導(dǎo)下,有的學(xué)生編寫(xiě)了計(jì)算連續(xù)梁、平面桁架的小程序,有的學(xué)生修改了教材提供的平面剛架計(jì)算程序,增加了支座移動(dòng)和溫度變化引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算內(nèi)容等。

  四、結(jié)語(yǔ)

  經(jīng)過(guò)兩年多的努力,從課程教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容的改革,到教材編寫(xiě)原則和編寫(xiě)大綱的確定,再到教材的編寫(xiě)及教學(xué)程序的編制,適用于土木、水利等工程專(zhuān)業(yè)的《結(jié)構(gòu)分析中的有限元法》教材(含教學(xué)光盤(pán))于2010年4月由武漢理工大學(xué)出版社正式出版,取得了階段性的成果。該教材將矩陣位移法與彈性力學(xué)有限元法有機(jī)結(jié)合、基本原理與計(jì)算程序有機(jī)結(jié)合。教材建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期性和系統(tǒng)性的工作,隨著學(xué)科體系的不斷發(fā)展、教學(xué)方法和手段的不斷更新、教學(xué)成果的不斷積累,今后將對(duì)教材和教學(xué)程序等進(jìn)行修改完善。

  近幾年來(lái),根據(jù)結(jié)構(gòu)分析中的有限元法課程的特點(diǎn),對(duì)理論課教學(xué)、實(shí)踐性教學(xué)和考試等環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革,充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用,注重教與學(xué)各環(huán)節(jié)的過(guò)程管理,取得了較好的教學(xué)效果。參考文獻(xiàn):

  [1] 趙更新.土木工程結(jié)構(gòu)分析程序設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2002.

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