MIDAS在大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：土木工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽；MIDAS；結(jié)構(gòu)優(yōu)化 

　　土木工程專業(yè)是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。改革開(kāi)放以來(lái)，隨著我國(guó)大規(guī)�；�本建設(shè)的開(kāi)展，對(duì)土木工程專業(yè)人才的需求迅速增長(zhǎng)，開(kāi)辦土木工程專業(yè)的高校已由最初的“建筑老八校”增加到迄今為止的362所學(xué)校，土木工程專業(yè)的師生人數(shù)在各個(gè)高校的工科專業(yè)中也達(dá)到了最多[1]。土木工程學(xué)科的規(guī)模建設(shè)滿足了我國(guó)對(duì)工程技術(shù)人才的需求，但在土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)過(guò)程中也暴露出諸多問(wèn)題，如缺少創(chuàng)造性，動(dòng)手實(shí)踐能力差，團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)欠缺。造成這些缺陷的原因是多方面的，但教育培養(yǎng)模式首先值得反思[2]。土木工程專業(yè)的學(xué)生是作為未來(lái)工程師來(lái)培養(yǎng)的，要使其能成為一名優(yōu)秀的工程師，社會(huì)責(zé)任和人文情懷的培養(yǎng)固然重要，但最重要的素質(zhì)應(yīng)該是創(chuàng)造精神、動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。為了培養(yǎng)這些素質(zhì)，僅靠高校常規(guī)的教學(xué)環(huán)節(jié)是不夠的，組織開(kāi)展大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是一個(gè)很好的補(bǔ)充培養(yǎng)平臺(tái)[3-4]。 

　　一、 湖南省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽 

　　湖南省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是在原省建設(shè)廳主辦的土木建筑類大學(xué)生結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)作競(jìng)賽基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，現(xiàn)由湖南省教育廳、湖南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳聯(lián)合主辦，由湖南省建設(shè)人力資源協(xié)會(huì)和湖南省高校輪流承辦，是湖南省教育廳重點(diǎn)支持的學(xué)科競(jìng)賽之一。從2012年到2015年，湖南省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽已成功舉辦了四屆，其宗旨是：通過(guò)專業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用，多方面培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，加強(qiáng)高校間的交流與合作，并推薦每屆的第1名參加全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽。從已舉辦的四屆來(lái)看，規(guī)模是越來(lái)越大，特別是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)媒體的宣傳展示，其影響力在湖南省各個(gè)高校土木工程學(xué)子中更加深入人心。各屆競(jìng)賽概況見(jiàn)表1。高規(guī)格、高層次的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為培養(yǎng)國(guó)家創(chuàng)新型人才起到了推動(dòng)和促進(jìn)作用。對(duì)于參賽者來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)競(jìng)賽是一項(xiàng)高難度的創(chuàng)造性工作，無(wú)論獲獎(jiǎng)與否，學(xué)子們都能從挑戰(zhàn)中領(lǐng)悟到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的真諦，受益終生。 

　　二、 結(jié)構(gòu)分析軟件 

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中有三個(gè)方面的工作非常關(guān)鍵：概念設(shè)計(jì)、優(yōu)化分析、模型制作。這三個(gè)方面相互聯(lián)系，各有側(cè)重。從概念設(shè)計(jì)出發(fā)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析宜采用簡(jiǎn)化的手算為主，但由于競(jìng)賽的殘酷性，決定比賽名次的結(jié)構(gòu)重量或位移往往以克或毫米來(lái)計(jì)算，這就使參賽者不得不借助高層次的有限元結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化分析。目前我國(guó)國(guó)內(nèi)常用的結(jié)構(gòu)分析軟件有ANSYS、SAP2000、MIDAS等。從土木工程的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，結(jié)構(gòu)規(guī)模越龐大，所面臨的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題越復(fù)雜，計(jì)算機(jī)輔助分析在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越成熟、普遍。土木工程的學(xué)生除了要掌握常用的設(shè)計(jì)軟件（如PKPM、盈建科），深入學(xué)習(xí)幾種有限元分析軟件，將對(duì)今后從事工程設(shè)計(jì)和研究工作大有裨益。 

　　上文提到的ANSYS、SAP2000、MIDAS這三種軟件都由前、后處理模塊以及分析計(jì)算模塊組成，核心部分均為分析計(jì)算模塊。ANSYS軟件由美國(guó)ANSYS公司研制，可求解結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、碰撞問(wèn)題，功能強(qiáng)大，單元庫(kù)豐富，應(yīng)用面非常廣泛，但并非專門(mén)針對(duì)結(jié)構(gòu)專業(yè)，初學(xué)者不易掌握，用其來(lái)做結(jié)構(gòu)競(jìng)賽的優(yōu)化分析顯得大材小用[5]。SAP2000程序是由Edwards Wilson創(chuàng)始的SAP系列程序發(fā)展而來(lái)的，主要適用于模型比較復(fù)雜的土木工程結(jié)構(gòu)，如橋梁、建筑、大壩、海洋平臺(tái)、發(fā)電站、輸電塔等，是被廣泛使用的結(jié)構(gòu)分析軟件之一[6]。SAP2000圖形界面的各種功能菜單并不直接顯示，有些功能菜單隱藏較深，需要一定的使用經(jīng)驗(yàn)才能靈活應(yīng)用，所以本科生上手也會(huì)慢一些。MIDAS Family Program由韓國(guó)開(kāi)發(fā)，中文版由北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)，其軟件包中的MIDAS/CIVIL、MIDAS/Gen是主打軟件，界面比較人性化，相對(duì)容易上手[7]。其中MIDAS/CIVIL是土木工程結(jié)構(gòu)專用分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，除其他荷載選項(xiàng)外還有移動(dòng)荷載選型，特別適合于橋梁結(jié)構(gòu)的分析。MIDAS/Gen是通用結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，適合于一般性的空間結(jié)構(gòu)分析，簡(jiǎn)單易學(xué)。MIDAS/CIVIL和MIDAS/Gen的單元類型基本相同，操作思路也基本相同。對(duì)比分析目前國(guó)內(nèi)常用結(jié)構(gòu)分析軟件的特點(diǎn)，MIDAS是指導(dǎo)大學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化分析的一個(gè)很好工具。 

　　三、 MIDAS建模分析基本流程及關(guān)鍵要點(diǎn) 

　　采用軟件進(jìn)行比賽模型的結(jié)構(gòu)分析，最大的優(yōu)勢(shì)就是分析效率高，建一個(gè)模型，可以通過(guò)改變截面尺寸參數(shù)或增減基本構(gòu)件而得到同類型結(jié)構(gòu)體系的一系列分析結(jié)果，特別適合比選優(yōu)化設(shè)計(jì)。但必須強(qiáng)調(diào)的是，千萬(wàn)不能將全部希望寄托在軟件的結(jié)構(gòu)分析上。大量競(jìng)賽結(jié)果表明：只要有好的概念設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)選型巧妙，同時(shí)又重視模型的構(gòu)造制作問(wèn)題，即使只通過(guò)手算分析也可以取得好的成績(jī)。與此相反，若不注重概念設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)選型不合理，不重視模型的構(gòu)造制作問(wèn)題，即使采用軟件分析也難以取得理想成績(jī)。除此之外，還要注意的是，由于軟件提供的單元、構(gòu)件截面和支座約束類型有限，要建立與實(shí)際結(jié)構(gòu)及加載完全吻合的模型不切實(shí)際，此時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、構(gòu)件截面及加載等效處理顯得尤為重要。下面以2015年第四屆湖南省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽作品為例，介紹MIDAS/Gen在結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析中的應(yīng)用。 

　�。ㄒ唬└�(jìng)賽作品及其背景介紹 

　　第四屆競(jìng)賽要求按比賽規(guī)程制作一個(gè)三層竹質(zhì)房屋結(jié)構(gòu)模型。豎向加載，除底層外，二、三層樓面和屋面豎向荷載每層均為2個(gè)10 kg砝碼；水平加載，采用吊掛加載，加載點(diǎn)設(shè)定在屋面，通過(guò)鋼絲繩和滑輪連接，下掛鋼結(jié)構(gòu)托盤(pán)，以施加150 kg水平側(cè)拉力。要注意的是這個(gè)水平側(cè)拉力不通過(guò)結(jié)構(gòu)的扭心，所以結(jié)構(gòu)模型最終要受到豎向砝碼、水平側(cè)拉力以及扭矩的作用，如何評(píng)估這三個(gè)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的作用效應(yīng)是模型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)評(píng)分按計(jì)算書(shū)及設(shè)計(jì)圖10分，結(jié)構(gòu)選型與制作質(zhì)量10分，加載試驗(yàn)80分計(jì)算，以總分高低排名次。賽題已在網(wǎng)上公布。 　　關(guān)于框架結(jié)構(gòu)的復(fù)合受力設(shè)計(jì)，最重要的是做好概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選型，其次才是數(shù)值計(jì)算，也就是說(shuō)概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選型是數(shù)值計(jì)算的前提。本次競(jìng)賽最大的亮點(diǎn)在于考察學(xué)生對(duì)復(fù)合受力情況下結(jié)構(gòu)豎向承載力、結(jié)構(gòu)抗側(cè)移和抗扭轉(zhuǎn)能力的認(rèn)識(shí)深度。為了獲得較好的競(jìng)賽成績(jī)，在能施加豎向砝碼的前提下，追求最輕的結(jié)構(gòu)、最大的結(jié)構(gòu)抗側(cè)移和抗扭轉(zhuǎn)能力是正確的方向。為此本校競(jìng)賽模型選用帶懸挑平臺(tái)的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，通過(guò)增設(shè)懸挑平臺(tái)來(lái)滿足比賽規(guī)程對(duì)水平投影的要求，以及用來(lái)堆積砝碼，采用下大上小、逐漸收攏的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)來(lái)承受水平側(cè)拉力和扭矩。三維模型如圖1、圖2所示。 

　　（二） MIDAS建模分析基本流程及其關(guān)鍵要點(diǎn) 

　�。�1）網(wǎng)格建模。直接用MIDAS/Gen網(wǎng)格建模，也可采用AutoCAD畫(huà)好結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)線圖后，將其文件選存為DXF文件并導(dǎo)入MIDAS/Gen。

　�。�2）定義材料和截面特性。竹材按勻質(zhì)各向同性考慮，彈性模量取1×104 N/mm2，抗拉強(qiáng)度取60 N/mm2，容重取9.3×10-6 N/mm3。構(gòu)件截面庫(kù)若無(wú)實(shí)際模型所需截面，根據(jù)等效原則對(duì)實(shí)際構(gòu)件截面進(jìn)行等效。 

　�。�3）建立構(gòu)件單元。實(shí)際結(jié)構(gòu)桿件之間主要采用膠結(jié)連接方式。為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用梁?jiǎn)卧�模擬所有構(gòu)件，假定所有構(gòu)件之間剛接。 

　　（4）定義邊界條件。實(shí)際模型柱腳采用壓條將兩根基礎(chǔ)大梁的懸挑段嵌固約束，為此建模時(shí)將兩根基礎(chǔ)大梁的懸挑端面所有節(jié)點(diǎn)嵌固。 

　�。�5）荷載定義與輸入。二、三層砝碼堆放在懸挑平臺(tái)上，建模時(shí)將砝碼重量簡(jiǎn)化為線荷載施加在懸挑平臺(tái)的兩根懸臂梁上。屋面砝碼重量簡(jiǎn)化為集中荷載，均勻施加在四根角柱上。 

　�。�6）結(jié)構(gòu)分析。結(jié)構(gòu)分析可由MIDAS/Gen自動(dòng)完成，操作相對(duì)較簡(jiǎn)單。 

　�。�7）靜力分析成果。作為結(jié)構(gòu)競(jìng)賽常用到的靜力分析成果有反力、位移、內(nèi)力、應(yīng)力分析結(jié)果圖表以及輸出文本結(jié)果。限于篇幅，這里僅舉本校競(jìng)賽模型中的支撐桿件應(yīng)力分析圖來(lái)說(shuō)明結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的意義所在。各個(gè)框架面支撐桿件的軸向應(yīng)力分析結(jié)果如圖3所示，綠色為壓桿，黃色為拉桿。通過(guò)圖3能清楚知道各個(gè)框架面支撐桿件的拉、壓受力情況，供模型制作參考。支撐桿件拉、壓桿受力規(guī)律，主要由扭矩控制，對(duì)于這一點(diǎn)學(xué)生在模型制作中很容易發(fā)現(xiàn)。問(wèn)題在于要弄清楚承受側(cè)拉力與扭矩的左右兩個(gè)框架大面支撐桿件受力規(guī)律，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)難度較大，下面結(jié)合圖3（b）、（d）進(jìn)行闡述。左視面支撐桿件拉、壓桿受力都很大，因?yàn)樗�平�?cè)拉力與扭矩在支撐中產(chǎn)生的拉、壓屬性是重合的。右視面支撐桿件拉、壓桿受力非常小，因?yàn)樗�平�?cè)拉力與扭矩在支撐中產(chǎn)生的拉、壓屬性完全相反，彼此相互抵消，對(duì)比扭矩引起的支撐桿件應(yīng)力，水平側(cè)拉力引起的作用效應(yīng)明顯更大。此時(shí)，軟件分析結(jié)果對(duì)模型左右兩個(gè)框架大面拉、壓桿屬性的確定和桿件截面優(yōu)化設(shè)計(jì)起到了非常關(guān)鍵的作用。 

　　在以上模型的有限元分析中，并未涉及任何絕對(duì)位移、應(yīng)力或其他響應(yīng)的具體數(shù)值，因?yàn)橛邢拊�模擬主要用來(lái)進(jìn)行模型定性分析，要想進(jìn)行定量的精確模擬是比較困難的，也不現(xiàn)實(shí)。可見(jiàn)，有限元分析在結(jié)構(gòu)大賽中的重要作用，但是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)還是后期的模型制作。 

　　四、 結(jié)語(yǔ) 

　　通過(guò)對(duì)比分析目前國(guó)內(nèi)常用結(jié)構(gòu)分析軟件的特點(diǎn)，MIDAS是指導(dǎo)大學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化分析的工具。以第四屆湖南省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為背景，以我校參賽作品為例，總結(jié)了MIDAS建模分析基本流程及其關(guān)鍵要點(diǎn)，供模型比選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)參考。  

　　[1]祝明橋，謝獻(xiàn)忠，皇曉東，等.深化土木工程本科專業(yè)教學(xué)改革加強(qiáng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2015（10）：56-59. 

　　[2]祝明橋，霍海強(qiáng)，趙文武，等.基于學(xué)校工程環(huán)境實(shí)現(xiàn)土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)信息化[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2009（4）：71-73. 

　　[3]舒小娟，黃柱，周旭光.紙拱橋結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化建模分析―大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽談[J].力學(xué)與實(shí)踐，2012（4）：89-92.

　　[4]程濤.結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽與土木工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010（5）：133-136. 

　　[5]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007. 

　　[6]北京金土木軟件公司.SAP2000中文版使用指南[M].2版.北京：人民交通出版社，2012. 

　　[7]蔣玉川，等.MIDAS在結(jié)構(gòu)計(jì)算中的應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2012.