土力学本科教学有限元仿真软件的开发与应用(2)

　　1.界面设计

　　程序主界面中的菜单选项包括计算模块、工具和系统说明等三个部分。在计算模块中可以选择载荷试验或三轴试验进行仿真模拟。以前者为例，进入“载荷试验”模块后，弹出包括“参数”、“计算”和“输出”三个子项的对话框。学生可以在“参数”对话框中输入地基土的基本物理参数和力学参数：粘聚力c、内摩擦角φ、弹性模量E、泊松比μ、天然重度γ、膨胀角ω，也可输入几何参数：条形基础的宽度b、基础埋深d。在“计算”对话框中，学生可以控制计算误差和最大迭代次数，还可以选择不同的网格精度进行计算。在“输出”对话框中，学生可以选择绘制荷载位移曲线、初始计算网格、变形网格等作为输出项。图1给出上述“参数”和“计算”子项对话框的图示。

　　2.可视化设计

　　利用Visual Fortran中DFLIB图形库的命令，利用实际数据定义类似笛卡尔坐标系的逻辑窗口坐标系，然后调用绘图程序在子窗口中直接绘图。同样以载荷试验模块为例，其后处理程序可以实现计算荷载位移曲线以及变形前后计算网格的绘制。图2给出平板载荷试验地基变形前后的计算网格。

　　通过对比，学生可以深入了解不同地基土和基础尺寸对地基变形以及极限承载力的影响。

　　二、仿真软件在土力学教学中的应用

　　笔者开发的适用于本科土力学教学的有限元仿真软件具有开放、文件小（0.89M）、免安装、易操作的特点。将其放在公共教学网络平台上，学生可凭密码直接下载拷贝到个人计算机上运行学习。课堂教学实践初步表明，该软件作为教学资源的有益补充，能够满足三个不同学习层次的要求。

　　（1）根据课堂讲解的实验知识，学生可以利用该软件模拟载荷试验或三轴试验，既可以从实验结果中提取荷载位移曲线，进而得到承载能力并与书本进行对比，也可以设计若干固结应力等级的三轴剪切试验，提取应力应变曲线等试验结果，最终获得摩尔-库伦强度曲线，并与输入参数进行对比。通过该类型的虚拟实践可让学生熟悉实验结果的处理方法，而结果的对比可增加其学习兴趣。

　　（2）学生可以利用该软件研究不同参数对实验结果的影响，譬如研究内摩擦角、内聚力、弹性模量、基础埋深或宽度等对地基承载力的影响规律，并与书本上的理论知识对比。在该层次上可以设计问题来调动学生的研究兴趣[8]。

　　（3）由于土力学课程的先修课程一般包括弹性力学与有限元，因此，该程序还具有供学有余力学生深入了解乃至拓展程序的功能。通过该层次的实践可以使学生更加深入地掌握土力学知识。

　　三、结语

　　笔者开发了适用于土力学本科教学的虚拟仿真软件，该软件可实现浅层平板载荷试验和三轴试验的仿真模拟。利用该软件，学生可研究土性参数、基础几何参数等，研究不同排水条件、不同土性参数对三轴应力应变曲线、孔压应变曲线的影响，弥补了目前由于土力学课程学时和教学条件的限制，载荷试验和三轴试验的教学实践环节缺失的不足。教学实践表明，有限元仿真软件可以作为本科土力学实践教学的有益补充，能够实现以“虚”补“实”的效果。

　　参考文献：

　　[1]东南大学，浙江大学，湖南大学，等.土力学[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

　　[2]李广信，吕禾，张建红.土力学课程中的实践教学[J].实验室技术与管理，2006，23（12）：13-14，23.

　　[3]马少鹏，水小平，马沁巍，等.力学虚拟试验系统及其在实验力学教学中的作用[J].力学与实践，2012， 34（3）：65-67.

　　[4]王常明，王清，范建华，等.计算机仿真在土力学实验教学中的应用[J].高等建筑教育，2005，14（4）：96-98.

　　[5]张昭，郭呈周，肖昭然.基于修正剑桥模型的三轴试验仿真模拟[J].岩土力学，2007，28（9）：1949-1953.

　　[6]I M SMITH，D V GRIFFITHS.有限元方法编程[M].北京：电子工业出版社，2003.

　　[7]唐章宏，薛赛男，冯峰，等.Visual Fortran程序设计[M].北京：人民邮电出版社，2000.

　　[8]郑翔，顾乡.有限元分析课程引入问题式学习（PBL）教学探索[J].力学与实践，2011，33（6）：88-91.