仿真系統(tǒng)中引入土體本構(gòu)模型

由于土是一種松散介質(zhì)，具有三相（固相、液相和氣相）組成，其力學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比金屬固體材料復(fù)雜,所以土的本構(gòu)模型也更加復(fù)雜。在實驗仿真軟件中，引入幾種較為經(jīng)典的土體本構(gòu)模型進(jìn)行計算機(jī)模擬，可以讓學(xué)生更深入體會土體的復(fù)雜性及其本構(gòu)模型對實驗結(jié)果的影響。我們利用巖土工程有限元軟件MIDAS/GTS，對土力學(xué)實驗進(jìn)行模擬，可以得到土體位移及應(yīng)力分布圖，計算結(jié)果可以導(dǎo)入我們的仿真系統(tǒng)中。這樣可以利用已有的商業(yè)軟件中的多種土體本構(gòu)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(yīng)力圖如圖4所示。
1.對實驗結(jié)果的曲線實時顯示
本仿真軟件操作盡量采用鼠標(biāo)點(diǎn)擊或者文件導(dǎo)入的形式來輸入數(shù)據(jù)，可以減少數(shù)據(jù)的手工逐項輸入，從而減少人與計算機(jī)交互過程中的失誤，也提高了數(shù)據(jù)輸入效率。在模擬過程中可以隨時顯示實驗結(jié)果的實時曲線，如荷載與位移的關(guān)系曲線，與實際實驗過程相一致。學(xué)生可以利用仿真軟件模擬的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制各種變化曲線，獲得所需的各種力學(xué)參數(shù)。
2.仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用
從上述的功能描述可以看出，本實驗仿真系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)操作簡單，便于使用，多數(shù)情況下只需點(diǎn)擊按鈕；(2)可視性較強(qiáng)，可以看到土力學(xué)實驗的全過程，并以直觀形象的圖形表現(xiàn)出來；(3)仿真程序遵循土力學(xué)實驗原理，較真實地反映土體試樣的力學(xué)行為；(4)對試件進(jìn)行實驗加荷后立即可以得到變形結(jié)果；(5)交互性較強(qiáng)，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(jié)果數(shù)據(jù)及變化曲線。
本實驗仿真系統(tǒng)被應(yīng)用到土力學(xué)教學(xué)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(xiàn)出來，使學(xué)生更深刻地理解土力學(xué)的基本原理。二是在實驗前讓學(xué)生進(jìn)行計算機(jī)操作，能夠調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生更深入地掌握土力學(xué)實驗的基本步驟。
3.結(jié)語
仿真實驗軟件是通過操作計算機(jī)程序來模擬完成實驗過程，不受實驗室場地、實驗設(shè)備、實驗材料的限制，是培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力的一種新手段。仿真實驗為學(xué)生提供了一種虛擬實驗環(huán)境，在這種環(huán)境下學(xué)生可以反復(fù)進(jìn)行操作,并且快速獲得實驗結(jié)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(xué)手段，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的興趣，在實驗經(jīng)費(fèi)和實驗設(shè)備受到限制的條件下，開展計算機(jī)仿真教學(xué)具有應(yīng)用推廣前景。但如何結(jié)合各自的專業(yè)特點(diǎn)，開發(fā)適合本專業(yè)學(xué)生使用的仿真軟件，還有很多相關(guān)的問題需要深入探討。