【土力學實驗的仿真軟件研制】土力學實驗心得體會 摘要：土力學課程是土建專業的核心專業基礎課，土力學實驗是該課程的重要組成部分。使用VB程序對土力學實驗進行模擬，研制了相應的仿真軟件。該仿真軟件將土體試樣受力與變形以及逐步破壞的過程展現出來，具有形象逼真的特點。仿真軟件提供了土力學實驗步驟及原理的查詢，與巖土有限元軟件結合，還可以考慮多種土體本構模型。 關鍵詞：計算機技術 仿真軟件 土力學實驗 ：TU43 ：A ：1007-9416(xx)01-0119-02 Simulation program for experiment of soil mechanics CHEN Guo-zhou ZHANG Jian-xun (Civil Engineering department of Fujian University of Technology, Fuzhou, 350108,China) Abstract: Soil mechanics is the core class of civil engineering. The soil experiment is the important part of the class. Visual Basic program language is used to develop a simulation program for experiment of soil mechanics. The deformation and progressive failure of the soil specimen can be shown by the simulation program. The simulation program supposes the explanation for the soil experiment procedure and the principles of soil mechanics. Several soil constitutional laws are considered by bining the finite element program of geotechnical engineering. Key words: Computer technology;simulation program; experiment of soil mechanics 土力學課程是土木工程、橋隧工程等專業所必修的專業基礎課程，主要研究土的物理性質及其在外部荷載作用下的力學行為，是一門實踐性很強的課程1。將計算機仿真技術應用到土力學實驗中，可以將土力學實驗的過程和結果形象逼真地展示給學生。使用可視化技術和多媒體技術，可以把文字、圖片、視頻整合到一起，可以將土體試樣受力與變形過程展現出來，直到試樣破壞。張百紅2利用Matlab軟件的熱分析功能模塊進行土力學的非飽和土滲流計算，結果表明使用Matlab軟件對平面滲流場的求解,具有簡單易學的特點,可以用來計算較復雜的例題。王常明3用Borland C+ Builder可視化開發環境開發了土力學實驗模擬程序，用3DMax軟件和Authorware多媒體程序編著演示部分。肖昭然4用Author ware平臺開發土力學三軸實驗課件的方法，并介紹了課件的結構流程、設計理念以及理論基礎，在此平臺上，學生能夠完成對三軸實驗的計算機模擬操作。這些仿真軟件的應用，不僅能方便學生在實驗前進行模擬操作訓練，而且能夠調動學生的學習積極性，使學生更深刻地掌握土力學課程的基本原理。本文使用VB程序研制了土力學實驗仿真軟件，介紹了該仿真軟件的功能特點。 1、軟件的開發程序語言 計算機仿真實驗是通過相應的模擬程序在計算機上來完成實驗過程的。我們選用的開發程序為VB（Visual Basic的簡稱），這是Microsoft公司推出的一種可視化應用程序開發工具。VB采用可視化的開發圖形用戶界面的方法，使用者一般不需要編寫大量程序源代碼去描述界面的外觀和位置，而只要把需要的控件拖放到程序屏幕上的相應位置即可，使用者只要掌握常用控件的用法就可以建立實用的應用程序。程序運行通過后，可以形成可執行文件，點擊該文件就可以進入仿真軟件的用戶界面。完成后的土力學實驗仿真程序界面如圖1所示。 2、仿真軟件的功能 2.1 實驗步驟及相關理論的查找功能 為使學生易于理解和使用，在仿真軟件中介紹實驗中試樣的制作、施加荷載、觀測的技術要領和詳細過程。仿真軟件中提供查找功能，學生可以在軟件中方便的查閱與本實驗相關的理論及相關的國家技術規范。比如在進行“直剪實驗”時，可以在該軟件上點擊“步驟查詢”這個按鈕，這樣就可以看到該實驗步驟分為五步，分別為“(1)環刀切取試樣；(2)試樣放入盒中；(3)調整量力環百分表讀數為零；(4)施加壓力及水平力；(5)卸載取出損壞試樣”。如果學生對某個步驟還要進一步了解，可以再點擊所選的步驟，可以得到更加詳細的解釋。比如點擊“試樣放入盒中”，就可以看到詳細描述如下“對準直剪儀上、下盒，插入固定銷，使上、下盒固定，在試樣上、下面各放一張不透水的塑料薄膜，將帶土樣的環刀平口向下，對準剪切盒口，用一透水石將試樣徐徐推入盒內，移去環刀，最后裝上加壓蓋板和鋼珠。” 2.2 實現土力學實驗過程的可視化 土力學實驗的目的在于如何準確測定土體的各種物理及力學參數，如壓縮性指標、抗剪強度指標等。因此，在研制土力學實驗仿真系統時，遵循土力學實驗的課堂教學規律，努力通過仿真軟件模擬過程來揭示土的力學行為，盡力使軟件界面形象生動，并且便于使用者操作。以“直剪實驗”為例，通過對土體試樣施加水平力，使試樣在直剪儀上下盒的交界處錯開破壞。破壞前和破壞后的試樣示意圖如圖2和圖3所示。 2.3 仿真系統中引入土體本構模型 由于土是一種松散介質，具有三相（固相、液相和氣相）組成，其力學性質遠遠比金屬固體材料復雜,所以土的本構模型也更加復雜。在實驗仿真軟件中，引入幾種較為經典的土體本構模型進行計算機模擬，可以讓學生更深入體會土體的復雜性及其本構模型對實驗結果的影響。我們利用巖土工程有限元軟件MIDAS/GTS，對土力學實驗進行模擬，可以得到土體位移及應力分布圖，計算結果可以導入我們的仿真系統中。這樣可以利用已有的商業軟件中的多種土體本構模型,比如莫爾庫倫模型、鄧肯張模型等。直剪試驗中，土體試樣破壞時的應力圖如圖4所示。 2.4 對實驗結果的曲線實時顯示 本仿真軟件操作盡量采用鼠標點擊或者文件導入的形式來輸入數據，可以減少數據的手工逐項輸入，從而減少人與計算機交互過程中的失誤，也提高了數據輸入效率。在模擬過程中可以隨時顯示實驗結果的實時曲線，如荷載與位移的關系曲線，與實際實驗過程相一致。學生可以利用仿真軟件模擬的結果數據進行處理，繪制各種變化曲線，獲得所需的各種力學參數。 3、仿真軟件在教學中的應用 從上述的功能描述可以看出，本實驗仿真系統具有以下特點：(1)操作簡單，便于使用，多數情況下只需點擊按鈕；(2)可視性較強，可以看到土力學實驗的全過程，并以直觀形象的圖形表現出來；(3)仿真程序遵循土力學實驗原理，較真實地反映土體試樣的力學行為；(4)對試件進行實驗加荷后立即可以得到變形結果；(5)交互性較強，操作者可以輸入土體試樣大小、荷載大小、加載速率等各種信息，可以獲得實驗結果數據及變化曲線。 本實驗仿真系統被應用到土力學教學中，主要在兩種情況下：一是在課堂里講解實驗原理時，將土體試樣受力與變形過程展現出來，使學生更深刻地理解土力學的基本原理。二是在實驗前讓學生進行計算機操作，能夠調動學生的學習積極性，使學生更深入地掌握土力學實驗的基本步驟。 4、結語 仿真實驗軟件是通過操作計算機程序來模擬完成實驗過程，不受實驗室場地、實驗設備、實驗材料的限制，是培養學生綜合創新能力的一種新手段。仿真實驗為學生提供了一種虛擬實驗環境，在這種環境下學生可以反復進行操作,并且快速獲得實驗結果，其方便性是實際實驗所不可比擬的。仿真實驗作為一種全新的教學手段，有助于激發學生學習專業知識的興趣，在實驗經費和實驗設備受到限制的條件下，開展計算機仿真教學具有應用推廣前景。但如何結合各自的專業特點，開發適合本專業學生使用的仿真軟件，還有很多相關的問題需要深入探討。 _ 1李廣信,呂禾,張建紅.土力學課程中的實踐教學.實驗技術與管理,xx,23(12):13-15. 2張百紅.二維滲流場的MATLAB仿真在土力學教學改革中的應用.高等建筑教育,xx,15(4):97-99. 3王常明,王清,范建華,齊放.計算機仿真在土力學實驗教學中的應用.高等建筑教育,xx,14(4)