公路仿真教学模型研究

摘要：通过路面实例，分析模拟仿真技术在建立路桥教学模型中的应用及对教学效果的改善。采用ANSYS建立的仿真模型贴近公路桥梁建设的实际情况，使抽象的理论转变为图形、动画、录像。呈现结构物的基本形态，解决传统公路桥梁教学中存在的不足。

关键词：ANSYS教学模型库；公路；桥梁

中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）05-0197-02

模拟仿真技术是指用模型（物理模型或数字模型）来模拟仿真实际系统，代替实际系统进行实验和研究，是产品设计和制造中的常用技术手段。该技术近年来得到了快速的发展，在公路桥梁设计施工中应用广泛。若该技术应用于公路桥梁的教学、实际企业员工培训、建造师考试培训中，将有效提升教学效果。而且实现公路任课教师在多媒体教室教学中，不再带笨重的模型进教室的愿望，同时也为学习者创造更加优越的学习环境，为使公路桥专业的学生达到职业岗位和职业能力培养的要求，本文采用ANSYS建立的仿真模型贴近公路建设的实际情况，使抽象的理论转变为图形、动画、录像。呈现结构物的基本形态，解决传统公路桥梁教学中存在的不足。

在公路桥梁教学中，《工程力学》、《桥梁工程》、《结构设计原理》、《公路工程概论》等课程是主干专业基础课或专业课。在《工程力学》中，学生需掌握内力计算；在《桥梁工程》课程中，学生要学习常见的桥梁构造、桥梁各部件的受力性能。在《结构设计原理》课程中，受弯构件正截面受力的全过程和破坏特征是课程的主要内容。在《公路概论》课程中，需学习公路的平面、纵断面竖曲线、横断面土石方调配。上述这些知识是课程的难点和重点，由于学生普遍缺少感性认识，仅根据教材图例和图片信息，学生难以理解这些内容，教师授课难度较大，教学中存在较大的困难。建立土木工程专业模型后，学生可以通过观察实物模型和虚拟节点模型，增强感性认识，较好地掌握这些知识，建立起理论知识和工程原型之间的联系，有利于学生树立工程概念，这符合我校培养工程应用型人才的教育模式，因此建立土木工程专业模型对改善教育教学效果、提高人才教育质量有重要意义。

对于用模拟仿真技术建立教学模型方面已有以下研究：建立超高过渡段模型；在沥青计量教学中应用三维模型。同济大学曾经研发了桥梁三维教学模型，研究都颇有收获。本文在上述研究的基础上，采用路桥专业软件建立大型桥梁的教学模型，建立能模拟构件内部受力情况的模型。填补基于模拟仿真的公路桥梁教学模型的研究空白。

本文采用工程上较为先进的ansys分析软件，在收集大量图纸资料、工程量数据、工程细部尺寸的基础上，制作路桥多媒体模型，具体制作内容分为13个部分，包括公路平面模型、纵断面模型、横断面模型、超高模型、加宽防护模型、排水工程模型、路面工程模型、混凝土配筋模型、箱形梁桥模型、钢管拱桥模型、斜拉桥模型。

其中公路平面模型包含直线、圆曲线的公路模型。公路横断面模型为双向两车道的城市道路，3米人行道+4.5米机动车道，每隔25米布置路灯。简支梁桥的特征横断面类型有T梁和箱梁。模型均录制模型构造录像，全方位学习公路桥梁的基本构造，通过颜色，材质体现模型的真实性。

本文以公路路面为案例，讲解开发出符合公路桥梁课程需要的基于ANSYS的桥梁模型的基本方法。

1.路面模型参数。本案例为双向两车道的城市道路，3米人行道+4.5米机动车道，每隔25米布置路灯。本文采用ANSYS软件模拟路面结构，ANSYS软件具有很强模拟能力，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，对于公路和桥梁的模型的制作是完全可行的。ANSYS直观性教学可以加深学生对知识的理解，激发学生学习兴趣。同时，加强了特殊实验的实验效果，节约了资源。在教学中应用ANSYS，可以提高学生运用所学知识解决实际问题的能力，培养学生善于探索的素养。模拟混凝土是一种弹塑性材料，采用非线性应力—应变本构模型，并结合五参数强度准则，混凝土选用SOLID65单元模拟，混凝土材料的基本参数采用：轴心抗压强度设计值fcd=20.5MPa；轴心抗拉强度设计值ftd=1.74MPa；弹性模量Ex=3.5×104MPa；泊松比V=0.1667。

2.建立路面构造模型。采用ANSYS的APDL命令流功能，成功模拟路面构造；模型体现路面结构包括面层、基层、垫层。将模型应用于教学，增强学生的感性认识，以便较好地掌握这些知识，建立起理论知识和工程原型之间的联系，促进学生树立工程概念。

3.模拟仿真技术应用于路桥教学模型研究的优势。通过建立“公路桥梁教学模型”，丰富了教学素材，从根本上改善了学生的学习现状，提高了学生的绘图、看图及空间想象能力，从视听效果和理解能力方面着手，制作了含三维模型动画的多媒体辅助教学素材。教学模型的开发在于提高高职教育水平，教学模型开发也在于加深课本理论文字的学习，并增加立体的教学模型，通过不同的教学方式，达到更好的教学效果。

在教学工作中，使用了节点多媒体模型、构件拉、压、剪、弯曲变形多媒体模型、结构破坏教学试验录像等课题建设成果，取得了良好的效果。结构整体稳定破坏都是在瞬时发生的，没有实验和工程实例可以让学生了解失稳发生的过程，从模型和动画两个方面入手，制作了多种模型，不借用复杂的实验设备就可以直观形象地展示构件整体失稳的现象，通过分析，提出提高整体稳定性的方法和措施，进而理解和掌握设计原理和规范，改变原来的纯粹的理论公式推导的教学模式，逐步开展研讨式的教学改革，使学生的学习兴趣和效率大大提高。

此模型在教学中的应用可以提高学生的实践能力，激发学生的求知欲，因此将模型在教学中应用很必要。将模型的建设与大学生学科竞赛、开放性实验等教学环节结合起来，将研究成果直接应用于学科竞赛和开放性实验等教学环节中，充分发挥了成果的作用。

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基金项目：校级基金项目成果，《公路设计》教学模型开发。

作者简介：龚静敏（1984-），女，湖南长沙人，教师，工程师，硕士，公路与桥梁技术。