土力學(xué)實驗的仿真軟件研制

土力學(xué)課程是土木工程、橋隧工程等專業(yè)所必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要研究土的物理性質(zhì)及其在外部荷載作用下的力學(xué)行為，是一門實踐性很強的課程[1]。將計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到土力學(xué)實驗中，可以將土力學(xué)實驗的過程和結(jié)果形象逼真地展示給學(xué)生。使用可視化技術(shù)和多媒體技術(shù)，可以把文字、圖片、視頻整合到一起，可以將土體試樣受力與變形過程展現(xiàn)出來，直到試樣破壞。張百紅[2]利用Matlab軟件的熱分析功能模塊進(jìn)行土力學(xué)的非飽和土滲流計算，結(jié)果表明使用Matlab軟件對平面滲流場的求解,具有簡單易學(xué)的特點,可以用來計算較復(fù)雜的例題。王常明[3]用BorlandC++Builder可視化開發(fā)環(huán)境開發(fā)了土力學(xué)實驗?zāi)M程序，用3DMax軟件和Authorware多媒體程序編著演示部分。肖昭然[4]用Authorware平臺開發(fā)土力學(xué)三軸實驗課件的方法，并介紹了課件的結(jié)構(gòu)流程、設(shè)計理念以及理論基礎(chǔ)，在此平臺上，學(xué)生能夠完成對三軸實驗的計算機(jī)模擬操作。這些仿真軟件的應(yīng)用，不僅能方便學(xué)生在實驗前進(jìn)行模擬操作訓(xùn)練，而且能夠調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生更深刻地掌握土力學(xué)課程的基本原理。本文使用VB程序研制了土力學(xué)實驗仿真軟件，介紹了該仿真軟件的功能特點。
1、軟件的開發(fā)程序語言
計算機(jī)仿真實驗是通過相應(yīng)的模擬程序在計算機(jī)上來完成實驗過程的。我們選用的開發(fā)程序為VB（VisualBasic的簡稱），這是Microsoft公司推出的一種可視化應(yīng)用程序開發(fā)工具。VB采用可視化的開發(fā)圖形用戶界面的方法，使用者一般不需要編寫大量程序源代碼去描述界面的外觀和位置，而只要把需要的控件拖放到程序屏幕上的相應(yīng)位置即可，使用者只要掌握常用控件的用法就可以建立實用的應(yīng)用程序。程序運行通過后，可以形成可執(zhí)行文件，點擊該文件就可以進(jìn)入仿真軟件的用戶界面。完成后的土力學(xué)實驗仿真程序界面如圖1所示。
2、仿真軟件的功能
2.1實驗步驟及相關(guān)理論的查找功能
為使學(xué)生易于理解和使用，在仿真軟件中介紹實驗中試樣的制作、施加荷載、觀測的技術(shù)要領(lǐng)和詳細(xì)過程。仿真軟件中提供查找功能，學(xué)生可以在軟件中方便的查閱與本實驗相關(guān)的理論及相關(guān)的國家技術(shù)規(guī)范。比如在進(jìn)行“直剪實驗”時，可以在該軟件上點擊“步驟查詢”這個按鈕，這樣就可以看到該實驗步驟分為五步，分別為“(1)環(huán)刀切取試樣；(2)試樣放入盒中；(3)調(diào)整量力環(huán)百分表讀數(shù)為零；(4)施加壓力及水平力；(5)卸載取出損壞試樣”。如果學(xué)生對某個步驟還要進(jìn)一步了解，可以再點擊所選的步驟，可以得到更加詳細(xì)的解釋。比如點擊“試樣放入盒中”，就可以看到詳細(xì)描述如下“對準(zhǔn)直剪儀上、下盒，插入固定銷，使上、下盒固定，在試樣上、下面各放一張不透水的塑料薄膜，將帶土樣的環(huán)刀平口向下，對準(zhǔn)剪切盒口，用一透水石將試樣徐徐推入盒內(nèi)，移去環(huán)刀，最后裝上加壓蓋板和鋼珠?！?br />2.2實現(xiàn)土力學(xué)實驗過程的可視化
土力學(xué)實驗的目的在于如何準(zhǔn)確測定土體的各種物理及力學(xué)參數(shù)，如壓縮性指標(biāo)、抗剪強度指標(biāo)等。因此，在研制土力學(xué)實驗仿真系統(tǒng)時，遵循土力學(xué)實驗的課堂教學(xué)規(guī)律，努力通過仿真軟件模擬過程來揭示土的力學(xué)行為，盡力使軟件界面形象生動，并且便于使用者操作。以“直剪實驗”為例，通過對土體試樣施加水平力，使試樣在直剪儀上下盒的交界處錯開破壞。破壞前和破壞后的試樣示意圖如圖2和圖3所示。