面向卓越工程师培养的创新教学实践

王燕华,陆金钰,吴 刚,徐伟杰,冯 岩

(东南大学 土木学院，南京 210096)

0 引 言

如何培养具有“专业扎实、创新能力强、协作敬业、恪守道德和具有国际化视野”的土木工程专业人才，吸引更多优秀人才加入土木工程行业，在继承和发展之间，承担更大的职责，展示更多的领导才华，是土木工程未来教育面临巨大挑战。工程实践能力的培养作为工科教育的重要内容，不仅是应用型人才区别于研究型人才的显著特点，也是检验素质教育成效的关键性指标，更是“卓越工程师”培养的迫切要求[1]。然而，实践教学中存在以下几个问题：① 实验室大型结构加载设备一般很大且价格昂贵，大型设备和先进的试验技术大部分应用于科研性试验；② 由于试验消耗大、成本高、操作的复杂性以及安全性，大型复杂的抗震试验学生只能看演示性试验，无法亲自开展大量的参数化试验研究;③ 实验教学内容验证性实验偏多，设计性、综合探索实验偏少，缺乏对学生的系统科研训练[2]。

上述原因造成学生难以自主参与大型复杂的抗震实验设计，实验教学也缺乏科研探索性和启发性，客观上压抑了学生对科学实验的兴趣，束缚了学生的创造力和想象力，影响了学生创新和实践能力的培养[3]。因此，本文探索了抗震混合试验OpenSees-OpenFresco-MTS教学平台的建立与开发，组织课外研学本科生科研训练计划(Student Research Training Program,SRTP)项目和研讨会(Seminar)的形式实践任务，有机融合3个递进层次课外研学内容，探索实施“学生创新意识、创新能力和创新精神培养为主线，集抗震混合科研教学试验于一体”的面向卓越工程师培养的实践教学体系[4-5]。

1 教学平台及关键技术

混合试验源于子结构模拟动力试验，不同之处在于计算部分采用了有限元程序，其最为显著的特点是可仅对重要的复杂部位尤其是高度非线性构件制作大比例模型进行试验，其余作为计算部分进行数值模拟。该方法具有两大优点：① 可以大大减小实验规模，因为不需要对整体结构进行试验，只需针对其中的一部分；② 因控制自由度的个数减少了，可用较少的作动器进行试验，降低了对试验设备的要求。

1.1 软硬件条件

土木试验中心拥有2台MTS 244.21液压伺服作动器，1台MTS FT60液压伺服控制器，1台TARGET协同控制器，1套HPU液压油源系统，硬件如图1所示。混合模拟试验平台软件主要分为两类:① 是MTS控制软件;② 是通用计算有限元软件。MTS 控制软件793.00 System Software主要包括Station Builder(建站)软件、Basic TestWare(基本试验)软件、Multi-Purpose Testware(多功能试验)软件以及Station Manager(站管理)软件等。有限元数值模拟软件包括ANSYS、SAP、ABAQUS和 OpenSees等均可以用于结构数值模拟分析，其中OpenSees是目前进行混合模拟试验最为常用的有限元软件之一。

图1 试验系统的加载设备

1.2 OpenSees-OpenFresco-MTS混合试验平台[6]

OpenSees相比传统数值模拟软件具有较好的开源性，且基于模块化。所以，有限元计算部分采用OpenSees有限元分析软件。主要负责整体结构混合模型的创建和分析方法等主要试验参数的设置。

为了实现MTS试验控制系统与OpenSees有限元软件进行数据交互，需要借助于一个基于通用标准的接口软件 OpenFresco (Open Framework for Experi- mental Setup and Control)。OpenFresco接口软件是混合试验系统平台的中间协调部分，主要用途在于联系有限元软件与试验设备、试验控制、数据采集等外部条件，将物理试验与计算模拟的数据进行集成耦合。

MTS 793试验控制系统针对电液伺服作动器发出指令，并基于作动器内部的力传感器和位移传感器，收集反馈信号。

OpenFresco与MTS电液伺服系统的通信由MTS CSC定义完成。MTS CSC是MTS公司为了实现其系统与OpenFresco衔接而开发的程序，利用CSC设定试验单元的自由度控制通道，预设基本单位类型、反馈信息的通道、单位，从而实现MTS试验控制系统与OpenFresco的实时数据传输。

OpenFresco与OpenSees的通信通过后者引用前者内置的“试验单元”来实现，OpenSees在建立结构体系基本单元时加入试验单元，该单元不同于其余的数值单元，即它的本构关系并非事先在OpenSees中定义，而是通过现场试验实测，并实时反馈给OpenSees。

OpenFresco与OpenSees及MTS控制系统的连接示意图如图2所示。

图2 混合试验系统组成

2 3个层次抗震混合试验研讨课程

通过一定数量和不同形式的结构实验模型以补充土木课堂理论知识。构建了3个层次的抗震混合试验研讨课(见图3)，全面锻炼学生的科研能力，充分调动学生对专业知识学习的兴趣，提高学生的理论应用、实验动手、资料收集以及软件应用能力。形成了包括教学大纲、考核方式及评价体系、研讨案例、多媒体PPT 教案、实物演示模型等创新实践教学资源，确保创新活动可持续发展[7-9]。

考虑到实验室设备的条件和结构选择的合理性，本文选择防屈曲支撑为研究对象，以钢框架为基本结构体系，对该类结构的子结构混合模拟实验方法进行了探讨，分以下4种方案进行:① 可使用OpenSees建立合适的框架结构模型，建立无支撑钢框架、钢支撑钢框架以及防屈曲支撑钢框架，分析防屈曲支撑在结构抗震中的作用与优越性；② 以防屈曲支撑作为试验子结构，进行整体框架结构的混合模拟试验；③ 选择OpenSees作为有限元分析软件，建立无支撑3层框架模型和带防屈曲支撑3层框架模型进行动力时程分析；④ 选择单根弹簧进行 OpenSees-OpenFresco-MTS 全过程抗震混合模拟试验。具体分以下3个层次的课程递进式进行[10-12]：

图3 抗震混合试验课程

第1层次优化“结构检验”课堂实践教学。将抗震混合试验引入“结构检验”试验课堂，分基础、提高及创新训练3种。学生可自由分组，自主选修实践课程，在这实践平台中，可以进行自行观摩，分析和讨论结构模型。旨在培养学生兴趣，并积极鼓励申请创新课程。

第2层次组织校级课外研学SRTP项目。对于抗震试验有一定的了解，初步进行有限元的计算和模拟；通过制定防屈曲支撑的项目方案，建立多种方案的模拟设计，修改参数，增强学生对于土木抗震知识深入理解。

第3层次开展省级和国家级课外研学SRTP项目和Seminar研讨课程；利用课程综合性特点，引导学生查阅文献资料，使学生接受全方位的科研训练(如科技论文写作、数值模拟分析，模型试验操作、发明专利申报等)，弥补了现行课程体系和培养模式的不足，以培养卓越工程师为目标，使学生能够进行一定的理论研究工作，具备一定的研究探索能力[12-15]。

3 研究案例举例

3.1 单层框架混合模拟试验验证

建立最为简单的单层框架结构进行混合模拟试验,单层框架示意图如图4所示。

在图4所示框架的混合模拟试验中，梁柱构件13、24和34为数值子结构，在有限元软件中进行数值模拟，而弹簧构件14为试验子结构通过MTS试验控制系统进行实际的加载。该框架中构件与构件的连接、支座处的连接均为固定连接，模型的质量主要集中于节点3和4。

图4 试验系统的加载设备 (mm)

同时考虑到实验室作动器的吨位限制且弹簧构件的受力较小，导致试验结果不是十分明显，因此相应的钢框架各截面参数设置均比较小。柱子截面尺寸为13.63 mm×13.63 mm，梁的截面尺寸为34.75 mm×34.75 mm。在有限元软件OpenSees中可以通过相应的语句创造出该模型。

本模型的动力分析方面选择两条地震波El-Centro地震波和GM1X地震波分别进行加载，震动方向沿x(34)方向。案例中构件的相关参数和地震波的相关参数如表1、2所示。

表1 构件相关参数表

表2 地震波的相关参数

在进行混合模拟试验之前，通过OpenSees进行单纯的有限元分析，以进行对照和对比。此时只需将弹簧构件14从试验子结构替换为数值子结构即可，模型的其他参数均保持不变。将弹簧构件14设置为truss单元，设置其弹性模量为30 MPa，截面积为35 mm2。

3.2 试验结果

比较混合模拟试验结果和纯有限元分析结果，做出在两种地震波加载的情况下，节点4的位移时程图像以及弹簧的轴力时程图像如图5～8所示。

试验结果验证混合试验系统有很好的精度，能够满足一般性试验的要求。

4 结 语

通过构建面向卓越工程师培养的抗震混合试验实践平台，不仅可以完善现有的实践教学体系，而且还具有以下优势[15-17]：

图5 加载GM1X波的位移时程图像

图6 加载El-Centro波的位移时程图像

图7 加载GM1X波的弹簧轴力时程图像

图8 El-Centro波弹簧轴力时程图像

(1)打破原来科研教学孤立状态，打造了软硬件有机融合、建立了直接面向本科学生的柔性开放机制，实现将先进的实验技术从科研平台向教学平台转化。

(2)根据卓越工程师创新人才为培养目标，构建了实践教学内容和多层次科研训练课程，内容涵盖了课程的基础性实验、综合创新SRTP实验、Seminar研讨课程等。

(3)利用混合试验教学平台，建立多种方案，降低了试验成本，开展大批量的参数化试验研究。解决学生创新能力培养得不到高品质教学资源的支撑、学生自主创新的内驱动力不足等问题，有效培养和提升了学生自主创新意识和能力。