闫金梅
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摘要：虚拟仿真实验具有经济、资金周转周期短，见效快。无需大型实验场地，专门操作设备，管理花费少。弥补了传统理论和实验的不足，具有广阔的发展前景。本文结合土木工程专业的发展需要，构件钢梁失稳虚拟仿真实验，在钢结构失稳实验中发挥出良好的实践作用。
关键词：虚拟仿真;钢梁整体失稳;土木工程;
虚拟仿真技术存在时间已久。20世纪二、三十年代，仿真技术应用于航天领域，一般是以航天飞行器为研究对象。四、五十年代，开始采用计算机仿真根据模拟对象的数字模型将一系列运算器(如放大器、加法器、乘法器、积分器和函数发生器等等)以及无源器件，如电阻器件、电容器、电位器等相互连接而形成仿真电路，美国曾经模拟战争。六十至八十年代，仿真技术由模拟计算机专向数字计算机。八十年代到现在，随着有限元软件的出现和发展，虚拟仿真技术出现，在交互性、生动性、直观性等方面取得了比较大的进步。出现了动画仿真、可视交互仿真、多媒体仿真和虚拟环境仿真、虚拟现实仿真等一系列新的仿真思想、仿真理论及仿真技术和虚拟技术。在交通、土建、化工、制造、农业、工业、社会科学等各个领域得到广泛应用。
1 虚拟仿真技术应用的必要性
土木工程专业是应用性，实践性很强的专业。设计环节抽象难以理解，施工环节影响因素多，条件复杂。不确定性、危险性因素多。使得土木工程中的各个专业课学习过程枯燥无味，投入多收获少，需要对传统有针对性地进行改革。 虚拟仿真实验平台能将复杂的理论直观化。用理论分析法分析受弯构件的临界荷载，得建立坐标系，列微分方程，带入边界条件，解方程，解得的结果和实际还有一定差距。学生需要花大量时间和精力去学习这些。但虚拟仿真实验让人一看就明白，不但大大缩减了对理论的理解，还有培养学生动手操作和实践能力的作用。老师用不着走到每个同学跟前去演示。在高校实践和师生互动之间取得良好效果。
2 建立钢结构虚拟仿真平台
2.1 实验条件
本实验开发技术：3D仿真，开发工具：Unity3D，操作系统：Windows Server。有效链接网址：http：//home.xasyu.cn/web/csxy
网络条件要求：客户端到服务器的带宽≥10M；
能够支持的同时在线人数为200人；
用户操作系统要求：Windows7旗舰版以上操作系统
用户硬件主频大于2.10GHz，内存8GB以上，显存2GB以上(独立显卡)，存储容量大于40GB。
2.2 实验平台功能
承载能力极限状态验算分为强度验算和稳定性验算。钢结构的强度验算有构件验算和连接验算。因钢材自身强度较高，验算往往较连接容易满足。因此连接和失稳是钢结构设计、施工中的重点。大量工程实例表明，钢结构工程事故往往为失稳事故。如何保证稳定性成了钢结构专业领域中永恒的主题。
对于基本构件，如轴心受力、受弯、拉压弯构件可使用理论方法，列微分方程，解方程得到稳定承载力。理论方法是比较理想的方法，建立在基本假定之上。如平截面假定，各项匀质假定，各项同性假定，现实条件难以满足，理论方法因此受限。若碰到较为复杂的构件体系，使用纯理论方法有时是无法完成的。
还有实验法。实验法直接、明了、真实具有说服力。对实验场地、设备有一定要求。需要配备专门的实验室工作人员，管理人员，定期维护机械设备，负责材料购买和进场，核对和堆放，废料输出和丢弃。简单演示性实验可以用此种方法。如轴心受力构件、受弯构件。构件稍多的结构体系材料消耗大，占用场地多。对人员配备，材料管理，废料输出，场地管理方面提出更高要求，甚至具有一定危险性。钢梁失稳实验在最后失稳的那一瞬间将会从台座滑落下来，稍有不慎便会砸伤人。
钢材密度7850kg/m3，实验用构件以一根10米长I20工字钢为例，重量约为280kg。钢材价格大约5000元一吨。以每班45人，每组5人计。一个班上一次钢梁失稳实验课分9组，做一次实验的钢材消耗量为：
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做完实验的工字钢不能重复使用。每次课每组学生做3次实验，每个班上一次课钢材消耗量为：
280×9×3=7560kg
钢材，费用3.78万元，不包括人工、场地、管理。场内运输7吨多钢材需要运输设备，随时有砸伤人的可能。工科实验占用场地大，影响因素多，实验花费多。对于复杂实验，如整体结构体系失稳不宜使用实验法，基本构件可考虑使用。
虚拟仿真实验法。使用有限元软件模拟实验场景，成本降低，无危险性。本实验采用一个虚拟场景，H型钢分级加载，每级荷载约10%P，间隔2分钟。加载分两个阶段。预加载阶段检查设备、应变片、位移计是否工作正常。正式加载阶段分级加载，连续加载，控制加载速度，临近破坏时速度放慢，荷载减小。共有2个班，65人次完成此次实验。90%以上学生成绩达到良好。
2.3 钢梁整体失稳虚拟仿真实验
钢梁整体失稳虚拟仿真实验使用钢结构最常见的工字型截面梁(包括H型截面)，经各种对中矫正并测出其基本力学指标后，两端加水平及竖向约束使之变为一简支梁。简支梁及工字型截面在土木工程领域中都是非常普遍的，使该实验具有更强的应用范围，增加其接受群体面。实施过程中需要各种事先准备工作，对中，预加载及加载，让学生对不能亲手做的实验有身临其境的感觉。实验阶段分为预加载阶段和正式加载阶段。
预加载阶段用以检查钢梁摆放位置，两端约束是否牢靠，以及应变片位移计是否工作正常。正式加载阶段用来给试件进行正式加载，对随着荷载的不断增加，钢梁位移变形进行分析。对钢梁跨径、截面形式、尺寸不同，极限荷载及失稳方式数据进行处理，加深学生对钢梁失稳的深入理解。
使用钢结构最常见的工字型截面梁(包括H型截面)，经各种对中矫正并测出其基本力学指标后，两端加水平及竖向约束使之变为一简支梁。简支梁及工字型截面在土木工程领域中都是非常普遍的，使该实验具有更强的应用范围，增加其接受群体面。实施过程中需要各种事先准备工作，对中，预加载及加载，让学生对不能亲手做的实验有身临其境的感觉。
通过虚拟仿真，自主学习钢梁失稳实验。根据虚拟场景进入实验室，检查试件和实验装置，布置仪表，电阻应变片预先贴好，检查电阻值、预加载、逐级加载读数直至构件破坏。能够准确地描述整个实验的操作过程及实验阶段，实验操作准确无误，基本操作要点不遗漏。具备整体数据分析数据的能力，能够分析理论值与实测值之间差别的产生原因。
3 结论
虚拟仿真实验势在必行。在土木工程专业领域中的应用和探索不会一蹴而就，而是一项漫长的长期工程。
参考文献
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