研究生弹塑性力学课程教学方法探讨

摘要:本文基于研究生弹塑性力学课程的特点和教学体会,对弹塑性力学课程的教学方法进行了探讨。

Abstract: Based on the characteristics of postgraduate elastic-plastic mechanics and the teaching practice and experience,this paper discusses the teaching methods of elastic-plastic mechanics course.

关键词:弹塑性力学;研究生;教学;方法

Key words: elastic-plastic mechanics;postgraduate;teaching;methods

中图分类号:G42 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)27-0186-01

工程技术人才必须具备坚实的力学理论基础[1-2],而弹塑性力学是力学理论体系的重要环节,是高等工程类人才知识结构中必不可少的部分。对研究生而言,弹塑性力学是工程技术基础学科,是工科院校工程力学、土木工程等专业必修的一门课程。大土木工程专业,特别是港口、海岸及近海工程专业硕士研究生的研究方向一般是港工结构、海洋结构、岩土、岩土与结构相互作用等方面,其实这些方向都要以弹塑性力学的知识为基础,也可以说它们本身就是弹塑性力学的内容[3]。因此,学好弹塑性力学为相关专业的研究生从事研究工作打下坚实的基础,对他们的研究工作具有重要作用。

作者已从事弹塑性力学这门课程的教学工作多年,深感学生学完这门课程后却不知如何或不能很好地将所学的理论知识应用实际工程或自己的研究工作当中去。本文就研究生弹塑性力学课程的教学方法进行探讨。

教学方法探讨:

①结合岩土力学或岩土工程进行

关于弹塑性力学的研究是从英国科学家虎克与1678年提出的固体材料的弹性变形和所受的外力成正比的虎克定律开始的。而关于固体材料塑性变形的研究是从法国科学家库伦于1773年研究土力学中土壤的剪断裂,提出了最大剪应力理论开始的;屈雷斯卡又把最大剪应力理论引用到了金属的塑性变形研究中,并于1864年提出了最大剪应力屈服条件。可看出,塑性力学起源于土力学。岩土特别是土,是一种塑性特性很强的一种材料,其物理力学性质特别复杂,具有不确定性、区域性和影响因素众多等特点。而岩土与桩等结构的相互作用就更复杂了。所以,在讲授研究生弹塑性力学课程时,结合岩土力学或岩土工程进行是较好的一个方法。

②结合ABAQUS软件进行

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟有限元软件,解决从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。拥有各种类型的材料模型库,可以模拟典型工程材料的性能,其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。ABAQUS除了能解决大量结构(应力/位移)问题,还可以模拟如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析等广泛的工程领域问题。

ABAQUS采用最先进的有限元技术,可以分析复杂的固体力学结构力学系统,特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题,具有独特的系统级模型分析能力。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析,同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS 以其优秀的分析能力、模拟复杂系统的可靠性而被各国的工业和研究中所广泛的采用。

ABAQUS拥有者丰富的岩土相关本构模型,如Elasticity、Mohr-Coulomb Model、Modified Drucker-Prager Models、Linear Drucker-Prager Model、Hyperbolic Model、Exponent Model、Flow in the Hyperbolic and Exponent Models、Coupled Creep and Drucker-Prager Plasticity、Modified Cam-Clay Model、Modified Cap Model、Coupled Creep and Cap Plasticity、Jointed Material Model,从上面的模型可以看出ABAQUS有着强大的岩土本构,因此非常适合于岩土工程研究,可以考虑固结、渗流、稳定、开挖、填方、(温度、应力、渗流等)耦合、地震分析等众多问题。

所以可看出,ABAQUS是国际上非常著名的一款大型通用软件,且在处理非线性问题方面功能特强大,还能很好地处理岩土工程问题。因此,在讲授研究生弹塑性力学课程时,结合ABAQUS进行不失为一个有效的好方法。在使用ABAQUS时,可根据不同的需要选用不同的岩土本构模型,计算完成后,可在后处理中得到任意形状物体中任意点的应力、应变数据,进而进行综合分析。

③岩土的弹塑性力学实验

由前面我们已知道,岩土是一种典型的弹塑性材料,受力过程表现出非常明显的弹塑性。因此,上课过程中的实验以土样作为实验材料是很好的。每个同学完成土样的三轴实验后要提交实验报告,报告中要绘出土样的应力应变曲线,以表征土体的弹塑性特性。

④基于ABAQUS软件的弹塑性力学数值模拟计算

这里是要用ABAQUS软件进行数值模拟计算,是一种弹塑性力学计算的实际操练。每个同学要结合一个实际工程进行数值计算,并要附有详细的计算过程和步骤、各类图件,还要进行结果分析。这一数值模拟计算是以大作业的形式布置给学生,学生交上来后老师要评分。

⑤编写合适的教材

选择合适的教材对上好弹塑性力学课程也是很重要的。考虑到没有适合作者所在的港口航道与海岸工程专业及课时要求的研究生弹塑性力学教材,特编写了该课程的研究生教材,即《弹塑性力学理论基础与工程应用》。

参考文献:

[1]徐燕.工程力学教学浅谈[J].价值工程,2010(15):245.

[2]李连崇,梁正召,马天辉,等.高性能计算技术在岩石力学课程教学中的应用[J].高等建筑教育,2010,19(1):126-130.

[3]陈功奇,蒋建平,秦博.海底隧道围岩稳定性分析现状及方法[J].价值工程,2010(9):64.

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