基于虛擬儀器的工程結構設計原理實驗教學演示系統設計

徐明+李紅兵+肖士者等

摘要：針對工程結構設計原理實驗教學特點及現狀，將計算機技術與測試技術緊密融合，自主設計基于虛擬儀器的實驗教學演示系統。以實驗教學演示為目的，設計數據處理與界面顯示程序，實現實驗類別選擇、參數設置、圖形實時顯示、數據存儲再現等功能。實踐表明，該演示系統為開展工程結構設計原理實驗教學提供了友好而開放的平臺，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：工程結構設計原理；虛擬儀器；演示系統 ；實驗教學

中圖分類號：G642423；TU318文獻標志碼：A文章編號：10052909（2015）06014105工程結構設計原理課程是土木工程專業的重要專業基礎課，是一門理論性、經驗性和實踐性都很強的課程。它的概念原理及理論發展很多都是建立在實驗基礎上的，因此，工程結構設計原理實驗是工程結構設計原理課程教學的一個重要組成部分。實驗教學對激發學生的創新意識、拓展學生的創新思維、增長學生的創新技能、涵養學生的創新品格方面的作用，是其他任何教學形式所不能替代的[1]。通過工程結構設計原理實驗，不僅能夠加強學生對工程結構設計基本原理的理解，對建筑工程結構的受力過程及破壞形態有更加直觀的認識，而且能夠提高學生的實踐動手能力，培養學生對土木工程專業的興趣及研究熱情[2-3]。

由于該課程實踐性強，實驗教學成為影響教學質量的重要環節。隨著本科教學實驗投入的日益加大，傳統的工程結構設計原理實驗教學方法已不能滿足知識、能力、素質并重的新型工程設計人才的培養要求，工程結構設計原理實驗教學改革迫在眉睫。

一、工程結構設計原理實驗教學現狀

東南大學工程結構設計原理實驗經過2008年的教學改革，已經獨立于工程結構設計原理課程而成為土木工程基礎實驗課程的一個重要組成部分。該實驗課包括鋼筋混凝土超筋梁和少筋梁的正截面受彎性能實驗、鋼筋混凝土斜截面斜壓和斜拉破壞實驗等4個演示實驗，及鋼筋混凝土適筋梁正截面受彎性能實驗、鋼筋混凝土梁斜截面抗剪性能實驗、鋼筋混凝土柱大偏心受壓性能實驗、鋼筋混凝土柱小偏心受壓性能實驗、鋼柱軸心受壓失穩實驗和磚砌體受壓性能實驗等6個實際操作實驗。

以往工程結構設計原理實驗中不管是演示實驗，還是實際操作實驗，所有的實驗數據均未采用自動采集，這主要是為了鍛煉學生的實際動手能力，學習各種儀器儀表的測量方法。經過長期的教學實踐，發現這種方式雖然對學生動手能力的鍛煉是有益的，但是對于演示實驗卻存在一定的缺陷。這主要表現為：（1）演示實驗的主要目的是向學生展示基本構件的受力過程及破壞形態，讓他們對超筋梁和少筋梁的受彎破壞及斜截面斜壓和斜拉破壞有直觀的認識，動手能力的鍛煉不是主要目的。（2）傳統實驗數據采集方式在演示實驗中向學生展示的僅是直觀的實驗數據（荷載、位移、應變等），但是沒有建立起這些數據之間的聯系，如：實驗構件的荷載—位移關系、實驗構件中鋼筋的荷載—應變關系、實驗構件的整體變形曲線、沿截面高度混凝土應變的分布情況等。這些實驗數據的關系曲線需要學生在實驗完成后，通過實驗數據的整理和分析才能得到。（3）在演示實驗中，需要建立的是實驗試件的表觀現象（裂縫、壓碎等）與內在受力（拉應力、壓應力等）之間的直接聯系，如實驗構件出現裂縫對應著荷載—位移曲線出現轉折，液壓千斤頂加載緩慢對應著實驗構件荷載—位移曲線上的屈服段及鋼筋荷載—應變曲線的屈服段等。只有這樣，才能讓學生將實驗過程中的實驗現象與構件內在的受力狀態緊密地聯系起來，加深對實驗構件受力機理的認識。

基于虛擬儀器技術的實驗教學內容和方法的改革，把計算機技術與測試技術緊密融合，是課程實驗內容和教學方法改革的新途徑[4]。自主研制的虛擬儀器綜合實驗平臺具有多功能、多用途、成本低廉等特點，在投資很少的情況下實現實驗環境現代化、規模化建設，同時為學生開展自主創新實驗提供友好而開放的平臺，具有廣闊的應用前景。

徐明，等基于虛擬儀器的工程結構設計原理實驗教學演示系統設計

二、系統硬件配置方案

根據該演示系統目標設定，需要采集的信號有位移信號、力信號和應變信號。位移信號的采集設備選擇YHD-50型位移傳感器，其量程±50 mm，靈敏度系數K=2.0；力信號的采集設備選用應變式壓力傳感器，以全橋電路接入；應變信號的采集設備為應變片，以1/4橋電路接入。所有傳感器都接入TST3826靜態應變測試分析儀，該分析儀可實現40路單端模擬輸入的信號采集，接入方式可選擇1/4橋（公共補償、三線制）、半橋、全橋等方式，最高分辨率1με，供橋電壓2V，采用USB接口，即插即用，方便可靠，其內置的Q-FAN溫度控制系統，能夠進一步減少溫度對測量結果的影響。

三、基于LabVIEW的實驗教學演示系統設計

（一） LabVIEW軟件簡介

LabVIEW是一種業界領先的工業標準圖形化編程工具，主要用于開發測試、測量與控制系統。它是專門為工程師和科學家設計的直觀圖形化編程語言。它將軟件和各種不同的測量儀器硬件及計算機集成在一起，建立虛擬儀器系統，以形成用戶自定義的解決方案[5-7]。

（二）程序總體設計方案

工程結構設計原理實驗教學演示系統的程序設計采用模塊化設計，以方便程序的調試和擴展修改，同時需要程序具有良好的操作性能，以降低學生運行程序時對虛擬儀器專業知識的要求；需要采用圖標控件或菜單實現人機對話，以增強程序的操作簡便性；需要具有一定的試驗狀態檢測與程序診斷功能，便于提示學生程序非正常運行狀態的原因。

基于上述原則，制定工程結構設計原理實驗教學演示系統的程序功能流程圖，如圖1所示。該程序能夠進行虛擬實驗和實測實驗，虛擬實驗是為實測實驗做鋪墊，其所有實驗數據均是根據理論計算公式計算得到。該實驗主要作用是讓學生在實際操作實驗前，對真實實驗的整個過程有充分的了解，虛擬實驗也可以作為理論課教師課堂授課時演示使用。實測實驗的所有實驗數據均是通過壓力傳感器、位移傳感器及應變片等傳感器在真實實驗過程中實時采集的，其主要作用是為了能夠在實驗過程中，實時處理數據，繪制圖形，使學生可以實時掌握實驗構件表面現象與內在受力狀態之間的關系。

（三）用戶界面設計

軟件界面主要分為演示系統主界面、實驗參數設置區、實時實驗數據顯示區、實時實驗結果圖形顯示區、數據存儲再現區。

系統主界面用于根據本次實驗目的選擇相應的實驗類別，該演示系統可以進行下列虛擬或實測實驗：鋼筋混凝土梁受彎性能實驗（包括超筋、少筋、適筋）、鋼筋混凝土梁受剪性能實驗（斜拉、斜壓、剪壓）、鋼筋混凝土柱偏心受壓性能實驗（大偏壓與小偏壓）、鋼柱軸心受壓性能實驗及砌體抗壓性能實驗，如圖2所示。同時用戶可以在已有程序框架基礎上，很容易開發出其它類別實驗的演示系統。

實驗參數設置區用于手工輸入相應的實驗構件尺寸、材料力學性能、配筋以及相關儀器參數等，以受彎梁實驗為例，如圖3所示。

實時實驗數據顯示區以直觀的儀表形式，顯示實驗過程中通過各種傳感器采集到的荷載、位移、應變等實驗數據，如圖4所示。

數據存儲再現區用于將實驗數據存檔，并能根據歷史文檔重新繪制圖形，方便學生課后自行整理實驗報告。

（四）后臺程序設計

系統后臺程序設計包括數據采集模塊、數據處理模塊和圖形顯示模塊。借助DAQ數據采集模式，快速實現了多路混合信號的同步采集，經分解后得到隨時間變化的數據陣列。后臺采用“條件結構”和“事件結構”調用實驗類別所對應的子VI，開始實驗部分的程序采用“平鋪式順序結構”設計整個框架，事件按幀排列，使用“條件結構”判斷虛擬實驗或實測實驗。針對虛擬實驗，程序調用“公式節點”根據所設參數對構件的荷載、變形、應變、受壓區高度等進行理論計算，同時將計算結果輸至實驗結果圖形實時顯示界面；針對實測實驗，使用“調用庫函數”節點對靜態應變測試分析儀的動態鏈接庫（.dll文件）進行調用，“.dll”文件提供了stdcall（WINAPI）格式的接口，使用“條件結構”判斷“查找儀器”，找到則進行“真”的操作，否則繼續等待下次查找，如圖6所示。找到儀器后設置各傳感器的靈敏度系數，然后開始采樣，如圖7所示。將采樣結果按加載次序累加到一系列數組，而前面的數據保持不變，并傳至實驗結果圖形顯示界面實時顯示，呈現隨加載進程變化的曲線圖，如圖5。最后，后臺程序采用條件結構判斷是否導出數據，如果選擇是，程序根據所選文本文件位置打開文件，并采用“寫入文本文件”子VI將本次所有參數以及所有實驗結果寫入該文本。寫入完畢后，當點擊“讀取文件”命令時，后臺程序采用“讀取文本文件”子VI將該文件數據讀入一系列數組中，并輸至實時顯示圖形窗口，文件讀寫操作如圖8所示。

實時實驗結果圖形顯示區用于根據虛擬或實測實驗結果，將實驗過程中重點關注的荷載、位移及應變等的關系曲線（梁變形圖、沿截面高度混凝土應變分布、荷載—跨中位移、荷載—混凝土應變、荷載—鋼筋應變等）實時顯示出來，如圖5所示。以鋼筋混凝土受彎構件為例，學生可以根據沿截面高度混凝土應變分布圖實時了解實驗構件在受力過程中中和軸的變化情況，通過荷載—鋼筋應變圖實時了解梁內受拉主筋的屈服情況，通過荷載—跨中位移曲線實時了解實驗構件開裂及屈服情況，從而與學生在演示實驗中觀察到的受彎構件的表觀形態對應起來，加深對鋼筋混凝土受彎構件受力機理的認識。

四、結語

根據理論課教師和學生的信息反饋來看，上述方法和措施在工程結構設計原理實驗課程教學改革中的應用，使學生對各項知識點的理解和應用能力有了很大的提高。通過教改切實提高了學生實驗學習的興趣，激發了學生學習工程結構設計原理課程的積極性、主動性和創造性，不僅使學生深入理解和掌握了工程結構設計原理的基本理論知識，而且著力培養了學生通過實驗研究的方法解決實際工程問題及開展科學研究的能力。

參考文獻：

[1]鄭家茂，熊宏齊，等. 開放創新——實驗教學新模式[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

[2]徐明，宗周紅，肖士者，邱洪興，吳京. 土木工程本科實驗教學創新平臺建設[J]. 高等建筑教育，2013（2）：114-116.

[3]徐明，宗周紅. 中美土木工程本科創新實驗教學體系對比分析[J]. 實驗室研究與探索，2011（11）：73-76.

[4]左虹，殷艷樹，馬麗霞. 基于LabVIEW的綜合實驗教學平臺研制[J]. 教學研究，2008，31（1）：75-77.

[5]尤麗華，周洋. 基于虛擬儀器的測試技術實驗教學系統建立[J]. 實驗技術與管理，2011，28（2）：83-86.

[6]申彥春，周浩淼，姚明林. 虛擬儀器在實驗教學中的應用[J]. 儀器儀表與分析監測，2008（1）：22-24.

[7]洪煥鳳，林明星. 基于虛擬儀器的實驗教學[J]. 實驗室研究與探索，2005，24（12）：84-86.

Design of experimental teaching demonstration system for the principle of

engineering structural design based on the virtual instrument

XU Ming， LI Hongbing， XIAO Shizhe， ZONG Zhouhong

（College of Civil Engineering， Southeast University， Nanjing 210096， P. R. China）

Abstract： According to the characteristics and situation of the principle of engineering structure design， experimental teaching demonstration system was designed independently based on the virtual instrument， which combined computer technology with testing technology closely. The data processing and interface display program for the experimental teaching demonstration had functions of experiment types selection， parameter setting， graphics realtime display， and data storage and reproduction. Practice result shows that the demo system provides a friendly and open platform for students to carry out the engineering structure experiments， which has a broad application prospect.

Keywords： principle of engineering structure design； virtual instrument； demonstration system； experimental teaching