可視化結構力學教學實驗初探

陳濤 孫凱 尹文良

摘要：以傳統結構力學實驗為基礎，分析當前的課程實驗教學現狀，闡述結構力學教學實驗可視化的必要性和可行性。為了解決現有教學實驗存在的問題，讓學生更好地理解力學概念，嘗試將DIC全場應變測量系統運用于力學實驗教學中，以代替傳統的應變片和位移計測量。通過開展相關實驗，驗證結構力學可視化實驗教學的可行性，進而探討合適的結構力學教學實驗方案。

關鍵詞：結構力學;教學實驗;力學概念;可視化

中圖分類號：G642423;TU311?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2020）05-0133-04

力學實驗是土木工程專業類學生力學學習的重要環節。通過這些實驗可以讓學生了解工程結構在不同受力狀況下內力的變化規律，了解不同材料的受力特性并探究如何進行結構優化等。力學實驗教學將書面理論通過實驗的方式驗證，讓無形的力學變得有形[1]，以加深學生對理論知識的理解。隨著結構力學教學實驗的推進，傳統實驗方法的不足逐漸凸顯，如用應變片和位移計間接測量的方式并不夠直觀，試件的變形非常微小，肉眼幾乎無法看到。為了獲得更好的教學效果，目前國內有許多對結構力學教學實驗的改革創新嘗試，如虛擬仿真實驗教學[2]、自主設計新型實驗模型[3-5]等。本文從可視化的角度出發，開展可視化結構力學教學實驗研究。

一、開展可視化結構力學實驗的必要性

結構力學的知識源于工程實際，但因其已被簡化，導致學生在理論學習時普遍感覺過于抽象。為彌補理論教學的不足，需要引入結構力學實驗課程[5-6]。以同濟大學為例，目前學校開設有結構力學實驗課程來輔助教學，通過桁架實驗，幫助學生理解移動荷載和影響線的概念，了解桁架各類桿件及其受力特征。實踐證明，這對加深學生對結構力學概念的理解、鍛煉實踐能力和培養創新意識確實有較大的幫助，但也存在不夠直觀的問題。為了進一步完善、改進現有教學實驗，達到更好的教學效果，有必要開展可視化結構力學實驗。

目前結構力學教學實驗較為單一，實驗裝置、測點布置都比較固定。從豐富現有結構力學教學實驗體系的角度出發，探索新的實驗十分必要。豐富的教學實驗能夠將實際的各種模型與理論相結合，

幫助學生理解理論知識。結構力學實驗可視化是一個十分有意義的發展方向，不僅能使理論知識更為直觀，而且還能讓學生更好地參與實驗，提高實驗教學效果。

近年來，科技的發展日新月異，各種先進的測量儀器、新型的實驗材料不斷出現，并被應用于科研實驗中。相比傳統的實驗方式，它們有著獨特的優勢。如數字圖像相關（DIC）測量方法，以其無損、非接觸、全場、高精度測量等優點廣泛應用于基礎力學問題的研究和工程測試中[7]。實驗的原理是不變的，但實驗的工具有必要根據現有的情況不斷優化，以達到更好的教學效果。教學實驗也應順應時代發展，不斷推陳出新。

二、教學實驗裝置的設置

可視化結構力學實驗從力學基本概念出發，引導學生獲得相關力學知識，了解和掌握結構力學的實驗方法，并通過實踐掌握試件設計、實驗結果整理的方法。同時，鼓勵學生發現實驗誤差的原因，進而提出改進方法，訓練學生自主學習的能力。

本次結構力學實驗為工字簡支梁在集中荷載下的變形實驗，實驗目的是讓學生了解工程試件的名稱，掌握實驗的基本方法，加深對相關知識的理解。同時，在實驗的過程中，了解實驗試件的設計，處理實驗結果，并獨立撰寫實驗報告。由于可視化實驗具有全場測量的優點，實驗方案可多樣化，為學生自主設計實驗提供了可能。學生可以在不同的測量點位或工況下進行實驗，并與理論值比較。在實驗結果分析方面，鼓勵學生了解當前的一些分析軟件，利用軟件進一步分析實驗結果。

（一）實驗裝置的設置

結構力學中，在單位移動荷載作用下表示結構某一量值（稱為影響量）變化規律的圖形，被稱為該量值的影響線[9]。本實驗的目的是讓學生通過理論計算與實驗結果的比較，更深入地理解影響線的概念，同時學習CFRP梁的實際受力狀況，了解理想計算模型與實際模型的差別。

實驗裝置為CFRP（碳纖維增強復合材料）工字梁，兩端簡支，并采用DIC（Digital Image Correlation）儀器進行測量。如圖1所示，經多次實驗驗證，桿件類試件實驗效果不佳。一是桿件的識別區域較窄，邊緣識別較差。二是構件的微小振動，會使識別效果進一步降低。為確保測量精度，提高實驗效果，選用識別面積更大的工字梁進行實驗。經實驗驗證，將CFRP工字梁等效為桿件可行且誤差較小。如圖2所示，以跨中豎向位移為例，理論值與實測值吻合較好。

裝置的尺寸如圖3所示，縱向長1 560 mm，橫向寬100 mm，高50 mm，翼緣板厚度1.4 mm。使用的是彈性模量為162 000 Mpa的CFRP材料。兩端簡支，能夠自由轉動。

（二）實驗過程

加載方式為簡單多次加載，如圖3所示，將千斤頂依次安裝在①、②、③、④、⑤節點，加載荷載為150 N、350 N、550 N。通過DIC采集結束后釋放荷載，等數據處理并記錄完成后再向下一個加載點施加荷載，重復采集操作。

在合適的距離和角度，DIC可以識別絕大部分梁體。在實驗的過程中，能自動計算識別區域內的應變及位移信息，以圖像的形式（圖4）顯示于軟件界面，并用顏色深淺加以區分，從而達到可視化的目的。通過圖像與實際構件相比較，能夠直觀地看到試件各部分的應變或變形情況。在實驗結束后，可以導出實驗數據，用于學生整理分析，對比理論數據和實際實驗結果，對誤差進行分析并進一步提出改進方案。

三、可視化結構力學實驗的教學效果

靜定結構的影響線是結構力學的重要內容，它反映了結構某一量值隨荷載作用位置變動時的變化規律。通過可視化的結構力學實驗不僅能從數值上得出結論，鍛煉學生數值處理和獨立撰寫實驗報告的能力，還能通過圖像看到荷載作用下構件的受力、變形情況，直觀地感受這種變化規律。

相比傳統的實驗方式，可視化教學實驗的優勢主要體現在三個方面：一是可視化，試件的變形直接在計算機上用圖像顯示，清晰易懂，便于學生將理論知識與實際相結合，進一步加深對相關力學知識的理解。二是全場測量，DIC測量時通過照片對比計算試件位移和變形，識別區域內任意一點的變形均可測得。這有利于學生進行自主設計實驗并驗證，擺脫固定點位的限制。三是非接觸測量，不會對試件性能造成任何影響。

四、結語

可視化是目前教學實驗的一個重要發展方向。同濟大學以創新實驗基地為依托，利用不同的實驗模型進行實驗，最終選取工字梁進行影響線的可視化實驗。和傳統的實驗相比，具有可視化、全場測量等優點。

參考文獻：

[1]陳艷華，羅才松.在“結構力學”課程中開設實驗教學的實踐[J].實踐教學，2011（20）：141-142.

[2]任偉杰， 李春林， 宋維源. 結構力學虛擬仿真實驗教學研究[J]. 力學與實踐， 2015， 37（2）： 257-262.

[3]李修干，何芝仙，張偉.一種“結構力學”課程實驗裝置設計[J].重慶理工大學學報，2017（3）：72-76.

[4]陳再現， 王煥定. 實驗結構力學教學改革初探[J]. 力學與實踐， 2015， 37（5）： 647-651.

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[9]朱慈勉，張偉平.結構力學[M].北京：高等教育出版，2016.

Preliminary study on visualization of experiment course in structural mechanics

CHEN Tao， SUN Kai， YIN Wenliang

（College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， P. R. China）

Abstract：

Based on traditional structural mechanics experiments， the current status of experiment teaching is analyzed. Furthermore， the necessity and feasibility of visualized experiment teaching course in structural mechanics is elucidated. To overcome the shortcomings of the existing teaching experiments and enable students to understand the concept of mechanics better， we try to apply DIC full-field strain measurement system to mechanics experiments teaching， replacing the traditional strain gauge and displacement gauge measurement. Through relevant experiments， the feasibility of visualization of structural mechanics expartment is verified and then a suitable experimental teaching scheme of structural mechanics is discussed.

Key words： structural mechanics; experiment course; mechanical concept; visualization

（責任編輯 王 宣）

作者簡介：

陳濤（1980—），男，同濟大學土木工程學院教授，博士生導師，主要從事結構疲勞性能評價、復合材料在土木工程中的應用研究，（E-mail）t.chen@tongji.edu.cn。