土力学课程有限元软件的优化与应用

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1、土力学课程有限元软件的优化与应用摘要：为了弥补当前土力学课程实践教学环节的不足，在前期开发的土力学教学有限元仿真软件基础上，新增了三个计算模块，使得该软件涵盖了平板载荷试验、三轴试验、恒定渗流、简单边坡稳定性和挡墙土压力分析等土力学课程中所有重要问题的分析。另外，在每个仿真模块中添加了关于该模块的土力学原理、有限元基本理论和实现方法，以及模型计算参数的含义与经验取值范围的介绍，提高了软件的易用性。优化后的软件涵盖内容全面，具有更好的容错性和易用性，能够服务于土力学课程的本科教学，达到以“虚”补“实”，激发学生学习兴趣和提高学生学习能力的目的。关键词

2、：土力学；有限元仿真；课程教学中图分类号:G642.0；TU43文献标志码：A文章编号：1005-2909(2016)05-0164-05土力学是高校土木工程专业的基础核心课程之一，也是地质工程、工程力学等本科专业的必修课程，其具有理论与实践并重的显著特点［1］。然而，一方面由于实验室条件和教学资源的制约，当下的高校教学无法开展土力学课程教学中诸如现场浅层平板载荷实验和三轴剪切实验等重要土力学实验，难以达到预期理想的教学效果。另一方面，由于恒定渗流、边坡稳定以及土压力问题等经典土力学问题往往是授课重点，但由于这些问题涉及到的模型假设众多，公式推导和

3、计算方法复杂，严重降低了学生的学习兴趣。近年来，将计算机数值仿真技术引入到教学中［2-3］，改变了传统的教学模式，丰富了传统的教学方式，成为当前的教学改革方向。迄今为止，如Ansys、Abaqus等可用于有限元仿真模拟的大型商用软件较多。这些软件，除了需要购买知识产权费用外，还因功能强大，要求使用者具有系统的力学基础和有限元知识才能掌握；另一方面这些软件对计算机的硬件要求较高，因此并不适用于本科教学。鉴于此，本文第一作者在美国Smith和Griffiths教授提供的开源简易有限元代码基础上［4］，基于VisualFortran的集成编译环境［5］，

4、幵发了能够初步满足人机互动及可视化教学要求的土力学课程有限元软件1.0版本，并取得了一定的令人满意的教学效果［6］。但是随着该软件在教学中的应用，发现其仅能对平板荷载试验、三轴剪切试验进行模拟分析，无法满足对其他诸如渗流、土压力和边坡稳定等重要经典土力学问题的分析。学生在对计算参数的选择以及相应理论知识的深入了解方面均存在一定困难。此外，已开发的土力学课程有限元软件1.0还存在譬如程序只能向前不能后退、无法让用户在使用过程中改变参数等问题，以及由于不同计算模块合成时出现的某些数据类型错误和软件界面乱码等问题，这些都影响了该软件的应用。针对上述不足，

5、笔者在前述开发的软件1.0版本基础上，增加了土力学中重要的恒定渗流分析、边坡稳定分析以及土压力分析三个计算模块，使得新软件2.0分析模块涵盖了土力学课程本科教学的所有重要内容，并在计算模块中增加了对计算模型的背景知识、计算参数的物理意义与经验取值范围，以提高程序的易用性。此外，笔者更正了原有程序中的错误，以提尚其容错性，并提供更为完善的人机交互功能。所开发的优化后的土力学课程有限元仿真软件2.0能够更好地进行土力学课程主要实践内容的仿真模拟，使该课程的教学内容得到了进一步丰富，达到了以“虚”（虚拟仿真）补“实”（工程实践和试验）的预期教学效果。一、

6、软件的优化内容如前所述，本研宄所开发的软件2.0主要在软件1.0基础上［6］，新增了三个计算模块，增加了必要的背景知识和参数选择推荐，并修正了部分错误。限于篇幅，本文主要对前面两个主要优化工作进行介绍。优化后的程序2.0的启动页面如图1所示，程序主界面中的菜单有平板载荷试验、三轴剪切试验、恒定渗流分析、边坡稳定分析、被动土压力分析、小工具、说明等七个部分。（一0提局程序易用性为了降低本科学生使用本软件的知识门槛，达到激发学生学习的兴趣，软件的2.0版本增加各个计算模型的分析简介、参数取值参考，并对有限元软件使用进行必要的介绍，以便于学生们学习和使用

7、。所添加内容主要包括如下三个部分。1.计算模型分析简介对平板载荷试验、三轴剪切试验、恒定渗流、边坡稳定性和被动土压力五个土力学中的经典试验进行了必要总结。主要介绍了相应的实验目的和室内或原位试验方法，并对相应的土力学计算理论和方法进行了简要的描述。对于仿真试验，以浅层平板载荷试验为例，本软件简要说明了实验目的，然后阐述了其原位试验方法，可使学生在使用本软件的同时再次复习书本知识，达到温故而知新的目的。对于仿真分析，如恒定渗流分析，本模块首先定义恒定渗流，再介绍常用的计算理论与经验算法，以便学生提前预知恒定渗流仿真分析模块所能实现的功能。1.计算参数

8、的取值建议软件2.0为用户嵌入的“参数含意与取值”这一选项卡，学生可以随时查看各个模块中涉及的各计算模型参数的含义和取值范