徐明+李紅兵+肖士者等

摘要：針對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗教學(xué)特點(diǎn)及現(xiàn)狀，將計算機(jī)技術(shù)與測試技術(shù)緊密融合，自主設(shè)計基于虛擬儀器的實驗教學(xué)演示系統(tǒng)。以實驗教學(xué)演示為目的，設(shè)計數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序，實現(xiàn)實驗類別選擇、參數(shù)設(shè)置、圖形實時顯示、數(shù)據(jù)存儲再現(xiàn)等功能。實踐表明，該演示系統(tǒng)為開展工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗教學(xué)提供了友好而開放的平臺，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理；虛擬儀器；演示系統(tǒng) ；實驗教學(xué)

中圖分類號：G642423；TU318文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：10052909（2015）06014105工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程是土木工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門理論性、經(jīng)驗性和實踐性都很強(qiáng)的課程。它的概念原理及理論發(fā)展很多都是建立在實驗基礎(chǔ)上的，因此，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)的一個重要組成部分。實驗教學(xué)對激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識、拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維、增長學(xué)生的創(chuàng)新技能、涵養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新品格方面的作用，是其他任何教學(xué)形式所不能替代的[1]。通過工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗，不僅能夠加強(qiáng)學(xué)生對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原理的理解，對建筑工程結(jié)構(gòu)的受力過程及破壞形態(tài)有更加直觀的認(rèn)識，而且能夠提高學(xué)生的實踐動手能力，培養(yǎng)學(xué)生對土木工程專業(yè)的興趣及研究熱情[2-3]。

由于該課程實踐性強(qiáng)，實驗教學(xué)成為影響教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。隨著本科教學(xué)實驗投入的日益加大，傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗教學(xué)方法已不能滿足知識、能力、素質(zhì)并重的新型工程設(shè)計人才的培養(yǎng)要求，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗教學(xué)改革迫在眉睫。

一、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗教學(xué)現(xiàn)狀

東南大學(xué)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗經(jīng)過2008年的教學(xué)改革，已經(jīng)獨(dú)立于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程而成為土木工程基礎(chǔ)實驗課程的一個重要組成部分。該實驗課包括鋼筋混凝土超筋梁和少筋梁的正截面受彎性能實驗、鋼筋混凝土斜截面斜壓和斜拉破壞實驗等4個演示實驗，及鋼筋混凝土適筋梁正截面受彎性能實驗、鋼筋混凝土梁斜截面抗剪性能實驗、鋼筋混凝土柱大偏心受壓性能實驗、鋼筋混凝土柱小偏心受壓性能實驗、鋼柱軸心受壓失穩(wěn)實驗和磚砌體受壓性能實驗等6個實際操作實驗。

以往工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗中不管是演示實驗，還是實際操作實驗，所有的實驗數(shù)據(jù)均未采用自動采集，這主要是為了鍛煉學(xué)生的實際動手能力，學(xué)習(xí)各種儀器儀表的測量方法。經(jīng)過長期的教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)這種方式雖然對學(xué)生動手能力的鍛煉是有益的，但是對于演示實驗卻存在一定的缺陷。這主要表現(xiàn)為：（1）演示實驗的主要目的是向?qū)W生展示基本構(gòu)件的受力過程及破壞形態(tài)，讓他們對超筋梁和少筋梁的受彎破壞及斜截面斜壓和斜拉破壞有直觀的認(rèn)識，動手能力的鍛煉不是主要目的。（2）傳統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)采集方式在演示實驗中向?qū)W生展示的僅是直觀的實驗數(shù)據(jù)（荷載、位移、應(yīng)變等），但是沒有建立起這些數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，如：實驗構(gòu)件的荷載—位移關(guān)系、實驗構(gòu)件中鋼筋的荷載—應(yīng)變關(guān)系、實驗構(gòu)件的整體變形曲線、沿截面高度混凝土應(yīng)變的分布情況等。這些實驗數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線需要學(xué)生在實驗完成后，通過實驗數(shù)據(jù)的整理和分析才能得到。（3）在演示實驗中，需要建立的是實驗試件的表觀現(xiàn)象（裂縫、壓碎等）與內(nèi)在受力（拉應(yīng)力、壓應(yīng)力等）之間的直接聯(lián)系，如實驗構(gòu)件出現(xiàn)裂縫對應(yīng)著荷載—位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，液壓千斤頂加載緩慢對應(yīng)著實驗構(gòu)件荷載—位移曲線上的屈服段及鋼筋荷載—應(yīng)變曲線的屈服段等。只有這樣，才能讓學(xué)生將實驗過程中的實驗現(xiàn)象與構(gòu)件內(nèi)在的受力狀態(tài)緊密地聯(lián)系起來，加深對實驗構(gòu)件受力機(jī)理的認(rèn)識。

基于虛擬儀器技術(shù)的實驗教學(xué)內(nèi)容和方法的改革，把計算機(jī)技術(shù)與測試技術(shù)緊密融合，是課程實驗內(nèi)容和教學(xué)方法改革的新途徑[4]。自主研制的虛擬儀器綜合實驗平臺具有多功能、多用途、成本低廉等特點(diǎn)，在投資很少的情況下實現(xiàn)實驗環(huán)境現(xiàn)代化、規(guī)模化建設(shè)，同時為學(xué)生開展自主創(chuàng)新實驗提供友好而開放的平臺，具有廣闊的應(yīng)用前景。

徐明，等基于虛擬儀器的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗教學(xué)演示系統(tǒng)設(shè)計

二、系統(tǒng)硬件配置方案

根據(jù)該演示系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定，需要采集的信號有位移信號、力信號和應(yīng)變信號。位移信號的采集設(shè)備選擇YHD-50型位移傳感器，其量程±50 mm，靈敏度系數(shù)K=2.0；力信號的采集設(shè)備選用應(yīng)變式壓力傳感器，以全橋電路接入；應(yīng)變信號的采集設(shè)備為應(yīng)變片，以1/4橋電路接入。所有傳感器都接入TST3826靜態(tài)應(yīng)變測試分析儀，該分析儀可實現(xiàn)40路單端模擬輸入的信號采集，接入方式可選擇1/4橋（公共補(bǔ)償、三線制）、半橋、全橋等方式，最高分辨率1με，供橋電壓2V，采用USB接口，即插即用，方便可靠，其內(nèi)置的Q-FAN溫度控制系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步減少溫度對測量結(jié)果的影響。

三、基于LabVIEW的實驗教學(xué)演示系統(tǒng)設(shè)計

（一） LabVIEW軟件簡介

LabVIEW是一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具，主要用于開發(fā)測試、測量與控制系統(tǒng)。它是專門為工程師和科學(xué)家設(shè)計的直觀圖形化編程語言。它將軟件和各種不同的測量儀器硬件及計算機(jī)集成在一起，建立虛擬儀器系統(tǒng)，以形成用戶自定義的解決方案[5-7]。

（二）程序總體設(shè)計方案

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗教學(xué)演示系統(tǒng)的程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計，以方便程序的調(diào)試和擴(kuò)展修改，同時需要程序具有良好的操作性能，以降低學(xué)生運(yùn)行程序時對虛擬儀器專業(yè)知識的要求；需要采用圖標(biāo)控件或菜單實現(xiàn)人機(jī)對話，以增強(qiáng)程序的操作簡便性；需要具有一定的試驗狀態(tài)檢測與程序診斷功能，便于提示學(xué)生程序非正常運(yùn)行狀態(tài)的原因。

基于上述原則，制定工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗教學(xué)演示系統(tǒng)的程序功能流程圖，如圖1所示。該程序能夠進(jìn)行虛擬實驗和實測實驗，虛擬實驗是為實測實驗做鋪墊，其所有實驗數(shù)據(jù)均是根據(jù)理論計算公式計算得到。該實驗主要作用是讓學(xué)生在實際操作實驗前，對真實實驗的整個過程有充分的了解，虛擬實驗也可以作為理論課教師課堂授課時演示使用。實測實驗的所有實驗數(shù)據(jù)均是通過壓力傳感器、位移傳感器及應(yīng)變片等傳感器在真實實驗過程中實時采集的，其主要作用是為了能夠在實驗過程中，實時處理數(shù)據(jù)，繪制圖形，使學(xué)生可以實時掌握實驗構(gòu)件表面現(xiàn)象與內(nèi)在受力狀態(tài)之間的關(guān)系。

（三）用戶界面設(shè)計

軟件界面主要分為演示系統(tǒng)主界面、實驗參數(shù)設(shè)置區(qū)、實時實驗數(shù)據(jù)顯示區(qū)、實時實驗結(jié)果圖形顯示區(qū)、數(shù)據(jù)存儲再現(xiàn)區(qū)。

系統(tǒng)主界面用于根據(jù)本次實驗?zāi)康倪x擇相應(yīng)的實驗類別，該演示系統(tǒng)可以進(jìn)行下列虛擬或?qū)崪y實驗：鋼筋混凝土梁受彎性能實驗（包括超筋、少筋、適筋）、鋼筋混凝土梁受剪性能實驗（斜拉、斜壓、剪壓）、鋼筋混凝土柱偏心受壓性能實驗（大偏壓與小偏壓）、鋼柱軸心受壓性能實驗及砌體抗壓性能實驗，如圖2所示。同時用戶可以在已有程序框架基礎(chǔ)上，很容易開發(fā)出其它類別實驗的演示系統(tǒng)。

實驗參數(shù)設(shè)置區(qū)用于手工輸入相應(yīng)的實驗構(gòu)件尺寸、材料力學(xué)性能、配筋以及相關(guān)儀器參數(shù)等，以受彎梁實驗為例，如圖3所示。

實時實驗數(shù)據(jù)顯示區(qū)以直觀的儀表形式，顯示實驗過程中通過各種傳感器采集到的荷載、位移、應(yīng)變等實驗數(shù)據(jù)，如圖4所示。

數(shù)據(jù)存儲再現(xiàn)區(qū)用于將實驗數(shù)據(jù)存檔，并能根據(jù)歷史文檔重新繪制圖形，方便學(xué)生課后自行整理實驗報告。

（四）后臺程序設(shè)計

系統(tǒng)后臺程序設(shè)計包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和圖形顯示模塊。借助DAQ數(shù)據(jù)采集模式，快速實現(xiàn)了多路混合信號的同步采集，經(jīng)分解后得到隨時間變化的數(shù)據(jù)陣列。后臺采用“條件結(jié)構(gòu)”和“事件結(jié)構(gòu)”調(diào)用實驗類別所對應(yīng)的子VI，開始實驗部分的程序采用“平鋪式順序結(jié)構(gòu)”設(shè)計整個框架，事件按幀排列，使用“條件結(jié)構(gòu)”判斷虛擬實驗或?qū)崪y實驗。針對虛擬實驗，程序調(diào)用“公式節(jié)點(diǎn)”根據(jù)所設(shè)參數(shù)對構(gòu)件的荷載、變形、應(yīng)變、受壓區(qū)高度等進(jìn)行理論計算，同時將計算結(jié)果輸至實驗結(jié)果圖形實時顯示界面；針對實測實驗，使用“調(diào)用庫函數(shù)”節(jié)點(diǎn)對靜態(tài)應(yīng)變測試分析儀的動態(tài)鏈接庫（.dll文件）進(jìn)行調(diào)用，“.dll”文件提供了stdcall（WINAPI）格式的接口，使用“條件結(jié)構(gòu)”判斷“查找儀器”，找到則進(jìn)行“真”的操作，否則繼續(xù)等待下次查找，如圖6所示。找到儀器后設(shè)置各傳感器的靈敏度系數(shù)，然后開始采樣，如圖7所示。將采樣結(jié)果按加載次序累加到一系列數(shù)組，而前面的數(shù)據(jù)保持不變，并傳至實驗結(jié)果圖形顯示界面實時顯示，呈現(xiàn)隨加載進(jìn)程變化的曲線圖，如圖5。最后，后臺程序采用條件結(jié)構(gòu)判斷是否導(dǎo)出數(shù)據(jù)，如果選擇是，程序根據(jù)所選文本文件位置打開文件，并采用“寫入文本文件”子VI將本次所有參數(shù)以及所有實驗結(jié)果寫入該文本。寫入完畢后，當(dāng)點(diǎn)擊“讀取文件”命令時，后臺程序采用“讀取文本文件”子VI將該文件數(shù)據(jù)讀入一系列數(shù)組中，并輸至實時顯示圖形窗口，文件讀寫操作如圖8所示。

實時實驗結(jié)果圖形顯示區(qū)用于根據(jù)虛擬或?qū)崪y實驗結(jié)果，將實驗過程中重點(diǎn)關(guān)注的荷載、位移及應(yīng)變等的關(guān)系曲線（梁變形圖、沿截面高度混凝土應(yīng)變分布、荷載—跨中位移、荷載—混凝土應(yīng)變、荷載—鋼筋應(yīng)變等）實時顯示出來，如圖5所示。以鋼筋混凝土受彎構(gòu)件為例，學(xué)生可以根據(jù)沿截面高度混凝土應(yīng)變分布圖實時了解實驗構(gòu)件在受力過程中中和軸的變化情況，通過荷載—鋼筋應(yīng)變圖實時了解梁內(nèi)受拉主筋的屈服情況，通過荷載—跨中位移曲線實時了解實驗構(gòu)件開裂及屈服情況，從而與學(xué)生在演示實驗中觀察到的受彎構(gòu)件的表觀形態(tài)對應(yīng)起來，加深對鋼筋混凝土受彎構(gòu)件受力機(jī)理的認(rèn)識。

四、結(jié)語

根據(jù)理論課教師和學(xué)生的信息反饋來看，上述方法和措施在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗課程教學(xué)改革中的應(yīng)用，使學(xué)生對各項知識點(diǎn)的理解和應(yīng)用能力有了很大的提高。通過教改切實提高了學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的興趣，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的積極性、主動性和創(chuàng)造性，不僅使學(xué)生深入理解和掌握了工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的基本理論知識，而且著力培養(yǎng)了學(xué)生通過實驗研究的方法解決實際工程問題及開展科學(xué)研究的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭家茂，熊宏齊，等. 開放創(chuàng)新——實驗教學(xué)新模式[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

[2]徐明，宗周紅，肖士者，邱洪興，吳京. 土木工程本科實驗教學(xué)創(chuàng)新平臺建設(shè)[J]. 高等建筑教育，2013（2）：114-116.

[3]徐明，宗周紅. 中美土木工程本科創(chuàng)新實驗教學(xué)體系對比分析[J]. 實驗室研究與探索，2011（11）：73-76.

[4]左虹，殷艷樹，馬麗霞. 基于LabVIEW的綜合實驗教學(xué)平臺研制[J]. 教學(xué)研究，2008，31（1）：75-77.

[5]尤麗華，周洋. 基于虛擬儀器的測試技術(shù)實驗教學(xué)系統(tǒng)建立[J]. 實驗技術(shù)與管理，2011，28（2）：83-86.

[6]申彥春，周浩淼，姚明林. 虛擬儀器在實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 儀器儀表與分析監(jiān)測，2008（1）：22-24.

[7]洪煥鳳，林明星. 基于虛擬儀器的實驗教學(xué)[J]. 實驗室研究與探索，2005，24（12）：84-86.

Design of experimental teaching demonstration system for the principle of

engineering structural design based on the virtual instrument

XU Ming， LI Hongbing， XIAO Shizhe， ZONG Zhouhong

（College of Civil Engineering， Southeast University， Nanjing 210096， P. R. China）

Abstract： According to the characteristics and situation of the principle of engineering structure design， experimental teaching demonstration system was designed independently based on the virtual instrument， which combined computer technology with testing technology closely. The data processing and interface display program for the experimental teaching demonstration had functions of experiment types selection， parameter setting， graphics realtime display， and data storage and reproduction. Practice result shows that the demo system provides a friendly and open platform for students to carry out the engineering structure experiments， which has a broad application prospect.

Keywords： principle of engineering structure design； virtual instrument； demonstration system； experimental teaching