面向卓越工程師培養(yǎng)的創(chuàng)新教學實踐

王燕華,陸金鈺,吳 剛,徐偉杰,馮 巖

(東南大學 土木學院，南京 210096)

0 引 言

如何培養(yǎng)具有“專業(yè)扎實、創(chuàng)新能力強、協(xié)作敬業(yè)、恪守道德和具有國際化視野”的土木工程專業(yè)人才，吸引更多優(yōu)秀人才加入土木工程行業(yè)，在繼承和發(fā)展之間，承擔更大的職責，展示更多的領導才華，是土木工程未來教育面臨巨大挑戰(zhàn)。工程實踐能力的培養(yǎng)作為工科教育的重要內容，不僅是應用型人才區(qū)別于研究型人才的顯著特點，也是檢驗素質教育成效的關鍵性指標，更是“卓越工程師”培養(yǎng)的迫切要求[1]。然而，實踐教學中存在以下幾個問題：① 實驗室大型結構加載設備一般很大且價格昂貴，大型設備和先進的試驗技術大部分應用于科研性試驗；② 由于試驗消耗大、成本高、操作的復雜性以及安全性，大型復雜的抗震試驗學生只能看演示性試驗，無法親自開展大量的參數(shù)化試驗研究;③ 實驗教學內容驗證性實驗偏多，設計性、綜合探索實驗偏少，缺乏對學生的系統(tǒng)科研訓練[2]。

上述原因造成學生難以自主參與大型復雜的抗震實驗設計，實驗教學也缺乏科研探索性和啟發(fā)性，客觀上壓抑了學生對科學實驗的興趣，束縛了學生的創(chuàng)造力和想象力，影響了學生創(chuàng)新和實踐能力的培養(yǎng)[3]。因此，本文探索了抗震混合試驗OpenSees-OpenFresco-MTS教學平臺的建立與開發(fā)，組織課外研學本科生科研訓練計劃(Student Research Training Program,SRTP)項目和研討會(Seminar)的形式實踐任務，有機融合3個遞進層次課外研學內容，探索實施“學生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)為主線，集抗震混合科研教學試驗于一體”的面向卓越工程師培養(yǎng)的實踐教學體系[4-5]。

1 教學平臺及關鍵技術

混合試驗源于子結構模擬動力試驗，不同之處在于計算部分采用了有限元程序，其最為顯著的特點是可僅對重要的復雜部位尤其是高度非線性構件制作大比例模型進行試驗，其余作為計算部分進行數(shù)值模擬。該方法具有兩大優(yōu)點：① 可以大大減小實驗規(guī)模，因為不需要對整體結構進行試驗，只需針對其中的一部分；② 因控制自由度的個數(shù)減少了，可用較少的作動器進行試驗，降低了對試驗設備的要求。

1.1 軟硬件條件

土木試驗中心擁有2臺MTS 244.21液壓伺服作動器，1臺MTS FT60液壓伺服控制器，1臺TARGET協(xié)同控制器，1套HPU液壓油源系統(tǒng)，硬件如圖1所示。混合模擬試驗平臺軟件主要分為兩類:① 是MTS控制軟件;② 是通用計算有限元軟件。MTS 控制軟件793.00 System Software主要包括Station Builder(建站)軟件、Basic TestWare(基本試驗)軟件、Multi-Purpose Testware(多功能試驗)軟件以及Station Manager(站管理)軟件等。有限元數(shù)值模擬軟件包括ANSYS、SAP、ABAQUS和 OpenSees等均可以用于結構數(shù)值模擬分析，其中OpenSees是目前進行混合模擬試驗最為常用的有限元軟件之一。

圖1 試驗系統(tǒng)的加載設備

1.2 OpenSees-OpenFresco-MTS混合試驗平臺[6]

OpenSees相比傳統(tǒng)數(shù)值模擬軟件具有較好的開源性，且基于模塊化。所以，有限元計算部分采用OpenSees有限元分析軟件。主要負責整體結構混合模型的創(chuàng)建和分析方法等主要試驗參數(shù)的設置。

為了實現(xiàn)MTS試驗控制系統(tǒng)與OpenSees有限元軟件進行數(shù)據(jù)交互，需要借助于一個基于通用標準的接口軟件 OpenFresco (Open Framework for Experi- mental Setup and Control)。OpenFresco接口軟件是混合試驗系統(tǒng)平臺的中間協(xié)調部分，主要用途在于聯(lián)系有限元軟件與試驗設備、試驗控制、數(shù)據(jù)采集等外部條件，將物理試驗與計算模擬的數(shù)據(jù)進行集成耦合。

MTS 793試驗控制系統(tǒng)針對電液伺服作動器發(fā)出指令，并基于作動器內部的力傳感器和位移傳感器，收集反饋信號。

OpenFresco與MTS電液伺服系統(tǒng)的通信由MTS CSC定義完成。MTS CSC是MTS公司為了實現(xiàn)其系統(tǒng)與OpenFresco銜接而開發(fā)的程序，利用CSC設定試驗單元的自由度控制通道，預設基本單位類型、反饋信息的通道、單位，從而實現(xiàn)MTS試驗控制系統(tǒng)與OpenFresco的實時數(shù)據(jù)傳輸。

OpenFresco與OpenSees的通信通過后者引用前者內置的“試驗單元”來實現(xiàn)，OpenSees在建立結構體系基本單元時加入試驗單元，該單元不同于其余的數(shù)值單元，即它的本構關系并非事先在OpenSees中定義，而是通過現(xiàn)場試驗實測，并實時反饋給OpenSees。

OpenFresco與OpenSees及MTS控制系統(tǒng)的連接示意圖如圖2所示。

圖2 混合試驗系統(tǒng)組成

2 3個層次抗震混合試驗研討課程

通過一定數(shù)量和不同形式的結構實驗模型以補充土木課堂理論知識。構建了3個層次的抗震混合試驗研討課(見圖3)，全面鍛煉學生的科研能力，充分調動學生對專業(yè)知識學習的興趣，提高學生的理論應用、實驗動手、資料收集以及軟件應用能力。形成了包括教學大綱、考核方式及評價體系、研討案例、多媒體PPT 教案、實物演示模型等創(chuàng)新實踐教學資源，確保創(chuàng)新活動可持續(xù)發(fā)展[7-9]。

考慮到實驗室設備的條件和結構選擇的合理性，本文選擇防屈曲支撐為研究對象，以鋼框架為基本結構體系，對該類結構的子結構混合模擬實驗方法進行了探討，分以下4種方案進行:① 可使用OpenSees建立合適的框架結構模型，建立無支撐鋼框架、鋼支撐鋼框架以及防屈曲支撐鋼框架，分析防屈曲支撐在結構抗震中的作用與優(yōu)越性；② 以防屈曲支撐作為試驗子結構，進行整體框架結構的混合模擬試驗；③ 選擇OpenSees作為有限元分析軟件，建立無支撐3層框架模型和帶防屈曲支撐3層框架模型進行動力時程分析；④ 選擇單根彈簧進行 OpenSees-OpenFresco-MTS 全過程抗震混合模擬試驗。具體分以下3個層次的課程遞進式進行[10-12]：

圖3 抗震混合試驗課程

第1層次優(yōu)化“結構檢驗”課堂實踐教學。將抗震混合試驗引入“結構檢驗”試驗課堂，分基礎、提高及創(chuàng)新訓練3種。學生可自由分組，自主選修實踐課程，在這實踐平臺中，可以進行自行觀摩，分析和討論結構模型。旨在培養(yǎng)學生興趣，并積極鼓勵申請創(chuàng)新課程。

第2層次組織校級課外研學SRTP項目。對于抗震試驗有一定的了解，初步進行有限元的計算和模擬；通過制定防屈曲支撐的項目方案，建立多種方案的模擬設計，修改參數(shù)，增強學生對于土木抗震知識深入理解。

第3層次開展省級和國家級課外研學SRTP項目和Seminar研討課程；利用課程綜合性特點，引導學生查閱文獻資料，使學生接受全方位的科研訓練(如科技論文寫作、數(shù)值模擬分析，模型試驗操作、發(fā)明專利申報等)，彌補了現(xiàn)行課程體系和培養(yǎng)模式的不足，以培養(yǎng)卓越工程師為目標，使學生能夠進行一定的理論研究工作，具備一定的研究探索能力[12-15]。

3 研究案例舉例

3.1 單層框架混合模擬試驗驗證

建立最為簡單的單層框架結構進行混合模擬試驗,單層框架示意圖如圖4所示。

在圖4所示框架的混合模擬試驗中，梁柱構件13、24和34為數(shù)值子結構，在有限元軟件中進行數(shù)值模擬，而彈簧構件14為試驗子結構通過MTS試驗控制系統(tǒng)進行實際的加載。該框架中構件與構件的連接、支座處的連接均為固定連接，模型的質量主要集中于節(jié)點3和4。

圖4 試驗系統(tǒng)的加載設備 (mm)

同時考慮到實驗室作動器的噸位限制且彈簧構件的受力較小，導致試驗結果不是十分明顯，因此相應的鋼框架各截面參數(shù)設置均比較小。柱子截面尺寸為13.63 mm×13.63 mm，梁的截面尺寸為34.75 mm×34.75 mm。在有限元軟件OpenSees中可以通過相應的語句創(chuàng)造出該模型。

本模型的動力分析方面選擇兩條地震波El-Centro地震波和GM1X地震波分別進行加載，震動方向沿x(34)方向。案例中構件的相關參數(shù)和地震波的相關參數(shù)如表1、2所示。

表1 構件相關參數(shù)表

表2 地震波的相關參數(shù)

在進行混合模擬試驗之前，通過OpenSees進行單純的有限元分析，以進行對照和對比。此時只需將彈簧構件14從試驗子結構替換為數(shù)值子結構即可，模型的其他參數(shù)均保持不變。將彈簧構件14設置為truss單元，設置其彈性模量為30 MPa，截面積為35 mm2。

3.2 試驗結果

比較混合模擬試驗結果和純有限元分析結果，做出在兩種地震波加載的情況下，節(jié)點4的位移時程圖像以及彈簧的軸力時程圖像如圖5～8所示。

試驗結果驗證混合試驗系統(tǒng)有很好的精度，能夠滿足一般性試驗的要求。

4 結 語

通過構建面向卓越工程師培養(yǎng)的抗震混合試驗實踐平臺，不僅可以完善現(xiàn)有的實踐教學體系，而且還具有以下優(yōu)勢[15-17]：

圖5 加載GM1X波的位移時程圖像

圖6 加載El-Centro波的位移時程圖像

圖7 加載GM1X波的彈簧軸力時程圖像

圖8 El-Centro波彈簧軸力時程圖像

(1)打破原來科研教學孤立狀態(tài)，打造了軟硬件有機融合、建立了直接面向本科學生的柔性開放機制，實現(xiàn)將先進的實驗技術從科研平臺向教學平臺轉化。

(2)根據(jù)卓越工程師創(chuàng)新人才為培養(yǎng)目標，構建了實踐教學內容和多層次科研訓練課程，內容涵蓋了課程的基礎性實驗、綜合創(chuàng)新SRTP實驗、Seminar研討課程等。

(3)利用混合試驗教學平臺，建立多種方案，降低了試驗成本，開展大批量的參數(shù)化試驗研究。解決學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)得不到高品質教學資源的支撐、學生自主創(chuàng)新的內驅動力不足等問題，有效培養(yǎng)和提升了學生自主創(chuàng)新意識和能力。