橋梁工程專業“工程軟件與應用”課程教學探討

董創文+陳得良

摘要：針對某獨立學院橋梁工程專業“5+1+2”人才培養模式下學生的現狀，對選修課“工程軟件與應用”的課程教學進行探討。分析先修課程、并行課程，比較現有常用軟件，確定課程教學的工程軟件為ANSYS;以桁架、梁、板為基本對象，以靜力、穩定性為主要知識點，以經典ANSYS算例及工程實例為載體，結合講課、上機與課外習題，通過學生自學、老師答疑、老師提問的形式，激發學生學習興趣和動力，實現學生理論水平、應用能力、自學能力的提高。

關鍵詞：工程軟件;ANSYS;工程實例;自學能力

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）22-0150-02

近年來，在我國交通土建大發展的環境下，某獨立學院堅持“全面發展，突出專長，強化實踐，著重應用”的人才培養目標，實施“5+1+2”的人才培養模式[1]，扎實培養學生的基礎素質和實踐能力，努力造就適應21世紀社會經濟發展需要的應用型高級工程技術人才和管理人才。為實現這一目標，學院鼓勵學生了解工程、進入現場、理論聯系實踐，推薦學生選修與工程緊密相關的《工程軟件與應用》課程。

一、課程簡介

“工程軟件及應用”是一門理論與實踐相結合的應用型專業課，課程教學目的為：通過對一種大型通用有限元工程軟件的系統學習與了解，達到使學生能夠利用本軟件獨立的解決實際工程中的力學問題，并對相關的力學知識作更深入的鞏固。通過本課程的學習，應熟練掌握該軟件的使用方法，并能運用該軟件解決相關的橋梁力學分析。

根據專業培養計劃，“工程軟件及應用”設置在第六學期，為選修課。課程總學時24，其中講課10，上機14;分12周，每周2學時。

二、學習現狀分析

根據專業培養計劃，“工程軟件及應用”先修的相關課程主要有：大學計算機基礎、Fortran語言、理論力學、材料力學、結構力學、畫法幾何與土木工程制圖、土木工程概論、建筑材料、土力學、結構設計原理、鋼結構基本原理等;并行的相關課程為橋梁工程、橋梁電算、橋梁施工、專業英語等。

受限于課程設置，理應先修的計算力學課程沒有開設，學生的有限元概念和理論有所欠缺;理應先修的橋梁工程、橋梁施工、專業英語等課程同期開設，學生的橋梁專業知識還沒有完全建立，專業英語水平較差。因此，在學習本課程的時候，學生將會面臨基礎較弱、難度較大的問題。

三、教學設計

1.工程軟件的選擇。目前，我國橋梁工程最常用的大型通用有限元軟件工程軟件有ANSYS和MIDAS。

ANSYS由目前世界上最大的有限元分析軟件公司——美國ANSYS公司開發，該公司成立于1970年，創始人為美國著名力學專家John Swanson博士[2]。該軟件主要包括三個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。軟件提供了超過100種的單元類型和用戶自定義單元接口，提供了參數化設計語言APDL（ANSYS Parametric Design Language），可以滿足工程各種要求，廣泛應用于各個工業領域[3]。

MIDAS于1989年由韓國POSCO集團開始開發。MIDAS/Civil是針對土木結構，特別是分析象預應力箱型橋梁、懸索橋、斜拉橋等特殊的橋梁結構形式，可以做非線性邊界分析、水化熱分析、材料非線性分析、靜力彈塑性分析、動力彈塑性分析，能夠迅速、準確地完成類似結構的分析和設計[4]。

考慮到ANSYS發展時間更久，其理論基礎、工程驗證、幫助文件等更加完善，其參數化設計APDL語言便于編程且基于先修課程Fortran語言，較適合初學者學習，故本課程確定其作為主修軟件。

2.難點對策。針對學生的學習現狀，采取以下對策。（1）回顧矩陣位移法，引入有限元。所設先修課程中，僅有結構力學的“矩陣位移法”與有限元有共同的總體思路和類似的做法，故第一節課重點介紹矩陣位移法的總體思路“化整為零—集零為整”，介紹節點、單元、節點力、節點位移、邊界條件、剛度、剛度矩陣等基本概念，介紹一道簡單且經典的算例的做法，以便建立已有知識和本課程的橋梁。（2）結合親身經歷，介紹ANSYS在橋梁工程中應用。作者自參加工作以來，已參與近十座橋梁的施工監控。在第二節課中，選取幾座典型橋梁：自錨式懸索橋——佛山平勝大橋、地錨式懸索橋——湖南張家界至花垣高速公路澧水大橋、斜拉橋——浙江嘉紹大橋、鋼管混凝土拱橋——湖南張家界至花垣高速公路猛洞河大橋、鋼混組合體系拱橋——長沙市福元路湘江大橋主橋、鋼混組合連續梁橋——長沙市福元路湘江大橋引橋，結合實橋圖片，重點介紹各橋設計概況、施工過程、有限元模型及關鍵結果，擴充學生的橋梁視野，激發學生學習ANSYS的興趣。（3）選擇經典專題，融合力學原理與ANSYS操作。從理論力學、材料力學和結構力學入手，根據結構類型和問題性質，選擇四個專題：平面桁架靜力、平面梁靜力、平面應力板靜力、桿系穩定。每個專題均以經典算例為主線展開，ANSYS經典算例選擇其幫助文件自帶的VM1、VM2、VM3、VM4、VM21、VM34、VM127、結構教學算例等;橋梁工程典型算如鐵路桁架橋、頂推連續梁、臨時墩、主梁懸臂施工的掛籃系統、塔柱施工的爬模系統等。以ANSYS經典算例為基礎，結合實際橋梁工程，將力學原理與ANSYS軟件操作方法融于一體，由淺入深，循序漸進，激發學生學習ANSYS的動力。（4）針對軟件操作，介紹對應中文。目前，ANSYS均為英文版本，其界面、按鈕、幫助文件等均為英文。講解ANSYS操作時，針對常用的英文或英文縮寫，著重介紹其中文意義并適當擴展;同時讓學生同步操作、親身體驗，以便減少學習的語言障礙。

3.基本教學內容。根據學生學習現狀，結合ANSYS特點，確定本課程知識單元、知識點及學時分配，見表1。

4.考核方式。本課程考核分為兩部分：知識考核和能力考核。知識考核占總成績的60%，主要采用上機考試的方式評定。能力考核占總成績的40%，主要根據學生提問、老師質疑、師生互動、課外大作業等評定。

上機考試時，設置三道題：平面桁架、平面梁、桿系穩定各一道。考題均由平時練習題的稍加變化而得，其變化或為幾何參數，或為材料參數，或為荷載參數。

四、教學特點

1.以上機為主，以課堂講授為輔。該課程重點在于鍛煉學生的動手操作能力，故課時安排上，7/12的課時安排在機房上機。上機時，要求學生反復練習基本算例，直至熟練。上機結束時，要求學生將課堂練習成果存盤并以電子郵件的方式發送到老師郵箱，老師回復郵件作為批改。

2.鼓勵學生問答。講授課堂中，每節課至少提問2～3次，考查學生對基本概念的理解。上機課中，老師不停巡視，鼓勵學生提問，老師當場答疑，手把手指導;同時針對學生正在進行的操作提問，當場評述回答。

3.設置課外學習內容，增強學生自學能力。從表1可見，本課程設置的課外學時18，平均每周1.5學時，其重點內容為知識點的鞏固和擴充。老師給出課外內容的綱要，具體內容由學生自主確定、自學完成，通過課堂答問和作業的質量體現其效果。

4.布置靈活的課外大作業。本課程布置一道課外大作業：如圖1所示，帶懸臂的等截面簡支梁ABCD，僅考慮自重，求使梁端轉角為零的a/L;要求成果有理論推導、模型CAD圖、命令流、結果、總結或體會。該題源于頂推平臺上帶拼鋼箱梁節段的無應力拼接狀態，可綜合考察力學推導、CAD作圖、ANSYS交互式操作、APDL參數化命令等。

五、教學效果

通過教學設計和實踐，學生對ANSYS興趣濃厚，在講課課堂上能積極主動地思考和回答，在上機課能積極地動手、提問，在課外能對自動查閱參考資料完成課外自學內容;部分同學則更為深入，與教師探討并提出解決問題的多種途徑。最后，全部學生都能夠在規定時間內完成上機考題;上交的課外大作業中，思路靈活，結果正確。

總之，通過24學時的互動，學生們在有限元理論水平、ANSYS應用能力、綜合分析能力和自學能力等方面有所提高，對ANSYS已入門。endprint