离散元与虚拟现实相融合的土力学实验数值仿真研究_周茂定.pdf

第 34 卷第 2 期陇 东 学 院 学 报Vol34No22023 年 3 月Journal of Longdong UniversityMar 2023文章编号:1674-1730(2023)02-0094-06收稿日期:2021-12-06基金项目:甘肃农业大学新工科研究与实践项目 基于 BIM 数字技术的土木工程专业课程协同共享机制研究作者简介:周茂定(1987)，男，陕西渭南人，博士，主要从事道路与桥梁设计理论研究。离散元与虚拟现实相融合的土力学实验数值仿真研究周茂定，戚乐磊，李海燕(甘肃农业大学 水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)摘要:为满足“新工科”人才能力需求，提升学生理论知识、实践与创新能力，从土力学实验的现状出发，梳理现实实验中的不足，提出改革的需求与达成目标。将基于颗粒力学模型的离散元数值技术引入土力学的理论与实验中，实现学生对土体在微观结构的不连续与宏观连续性的全方位理解，提升学生数值模拟水平。通过土力学实验的实体演练，结合线上虚拟仿真实验的自主训练，突破现实实验条件的制约，大幅提升学生动手实践能力。土力学实验的测试结果为离散元数值模拟提供必要的参数支撑，而数值仿真也可补充实验的不足。实验科学与计算科学相辅相成，相互印证，能够有效地深化学生的理论认知，激发学生创新与解决实际工程问题的能力。关键词:土力学实验;离散元法;虚拟仿真;数值建模;实体演练中图分类号:G642 3文献标识码:ANumerical Simulation of Soil Mechanics ExperimentIntegrating Discrete Element and Virtual ealityZHOU Mao-ding，QI Le-lei，LI Hai-yan(School of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，Gansu)Abstract:In order to meet the demand for“new engineering”talents and enhance studentstheoretical knowl-edge，practice and innovation ability，starting from the status quo of soil mechanics experiment，sorting out theshortcomings in the actual experiment，putting forward the demand for reform and achieving the goal The discreteelement numerical technology based on the particle mechanics model is introduced into the theory and experiment ofsoil mechanics to realize the studentscomprehensive understanding of the discontinuity and macro-continuity of thesoil in the microstructure，and improve the studentsnumerical simulation level Through physical exercises of soilmechanics tests，combined with independent training of online virtual simulation tests，it breaks through the con-straints of actual test conditions and greatly improves studentspractical ability The test results of soil mechanicsexperiment provide necessary parameter support for discrete element numerical simulation，and numerical simula-tion can also supplement the deficiencies of the experiment Experimental science and computational science com-plement each other and confirm each other，which can effectively deepen studentstheoretical cognition and stimu-late studentsability to innovate and solve practical engineering problemsKey words:soil mechanics test;discrete element method;virtual reality;numerical modeling;physical exercise随着信息与虚拟仿真技术的不断发展，要求土木、水利工程企业建立工程项目的数字化虚拟模型与信息技术平台，以确保众多结构信息能够在项目的全寿命周期内精细、准确、全面的传递。因此，对于现代企业的工程人员而言需要具有扎实的理论知识与实践能力，同时还需掌握一定的数值建模与编程能力，以便将实际工程项目准确地转化为仿真的数值模型。为培养引领未来技术与产业发展的卓越第 2 期周茂定，等:离散元与虚拟现实相融合的土力学实验数值仿真研究工程科技人才，我国提出了“新工科”建设的“复旦共识”与“天大行动”1 2。在此背景下，将科技发展的前沿技术(智能化、信息化、虚拟现实等)尽早地融入教育教学中，改革传统教学模式，以便满足现代工程企业对人才的需求，最终为我国培养出具有创新创业意识、数字化思维和跨界整合能力的“新工科”人才。“土力学”是以岩土为分析对象，在土木、水利工程建设中有着举足轻重的作用。岩土体可认为是各向异性、非均质、非完全弹性材料。该材料的力学性质与学生重点掌握的材料力学与弹性理论有一定的差异，需要结合该材料特点而进行专门学习研究。“土力学实验”作为土力学理论知识与工程实践的重要纽带，对培养学生的实践和创新能力发挥着重要作用;而传统的土力学实验教学模式已经不能很好地帮助学生建立数字化思维和跨界整合能力，进而影响“新工科”对人才能力的需求1 3。因此，如何将数值仿真、虚拟现实等技术应用于土力学实验教学过程中，如何加强学生的数值仿真能力和提高学生数字化思维能力成为当前土力学实验教学面临的新问题。本文尝试将基于颗粒力学模型的离散元法与虚拟仿真实验技术引入土力学实验 课程的全过程教学环节中，用以探寻满足“新工科”要求的教学改革。期望通过教师的引导，培养学生的数字思维能力，激发学生的创新和知识交叉综合运用能力，从而能适应土木、水利工程未来发展的人才需求趋势。1土力学实验的现状剖析以下将结合甘肃农业大学土木水利专业本科土力学实验教学现状展开相关分析。1 1土体的力学特性需延伸土体的力学特性是奠定土力学实验的先决理论基础。对土体力学特性的全面探究，可以为土力学实验提供可靠保证。岩土体在宏观上相对连续，而在细微观上是由一系列的颗粒、孔隙和裂隙组成的结构系统。自 1925 年，太沙基发表了关于土力学的第一本专著后，学者对土体的力学理论不断研究与改进，已取得了很大发展4。目前，国内土力学本科教学内容多是建立在土体宏观连续性的物理力学特性基础上，而对土体细观颗粒力学模型讲述相对较少。基于连续介质力学的方法，在解决土体的不连续性、离散性及不确定性等方面适用性较差，导致在土力学实验中获得测试数据与理论结果会有一定差异5。为更加真实地反映土体的各项异性、空间异构性和不连续性，建立宏观土体与细微观土颗粒间力学特性的联系，引入基于如图 1 所示颗粒力学模型5 的离散元分析方法成为有效手段。同时，学生在学习完计算机编程语言后，缺乏实际科学计算编程的训练，导致编程计算仅停留在相应课程学习中，而未能熟练应用于实际工程项目或实用科学计算中。因而有必要利用工程实例的计算编程实例来提高学生利用所学编程知识解决实际工程问题的能力;而基于离散元方法的数值仿真软件 MatDEM5 则提供了土体细微观颗粒的建模平台。利用该软件平台，学生可充分发挥自身编程能力，通过岩土体的细微观颗粒堆积出宏观岩土体模型，进而获得更加真实的土体力学特性。综上所述，为更加客观地模拟土体物理力学特性，培养学生的数值仿真能力，使其全面掌握土的力学特性，将基于离散元理论的数值仿真方法引入土力学实验中成为一种较优的选择。图 1土颗粒间线弹性模型示意注:图中 Fn和 Fs分别表示颗粒间法向和切向力;Kn和 Ks分别表示法向和切向刚度。1 2实验资源不足由于土的性质复杂，作为天然材料的不确定性和对环境的高度敏感性，使得土工实验成为土力学学习的重要基础;然而，目前土力学实验的教学资源仍存在不足，其主要表现在三个方面:(1)土力学实验课时存在不足。对标国内土木、水利工程本科教育的建议培养方案，土力学实验无法作为单独课程进行开课;国内多数院校土木工程专业的土力学实验课时为 8 课时，主要完成土的密度、固结、直剪等实验6 8。对一些重要的土工实验尚缺课时开展;(2)实验设备存在不足。由于实验场地、设备价格、实验过程等因素限制，一些重要实验的设备使用不能保障学生进行充分的实际操作，如真三轴剪59陇 东 学 院 学 报第 34 卷切实验等，这可能导致学生对土工实验的理解和操作掌握不够全面。(3)实际工程的依托存在不足;甘肃农业大学土木、水利工程专业的毕业生大都签约中建、中铁、中水等大型国企，工作于建筑、交通及水利的施工一线，参与复杂工程建设管理。这些大企业对毕业生有着“所学即所用”“零距离上岗”的要求9。将该要求延伸至教学中则要求学生学习内容尽量接近实际工程。然而，目前将实际工程背景的土工实验引入土力学实验教学内容的相对较少，学生不能很快建立实际工程与理论模型的联系。1 3课程间知识的交叉运用待提高“新工科”要求人才具有跨界整合能力，将该目标要求延伸至土力学实验教学中则体现为学生能够交叉运用各课程间的知识综合解决实际的工程问题。由于土力学实验不仅是建立在熟练的实验操作技能的基础上，更是基于坚实土力学理论知识。土体颗粒的空间离散性使得实验测试结果可能与理论值之间存在一定差异。此时，则需要从实验的操作、实验土体的边界约束条件、实验环境以及土体的细微观与宏观力学性质等各方面寻找差异的原因。通过土力学实验的数值仿真模拟，既可有效地消除实验、边界条件等影响因素，还能进一步锻炼学生的计算机编程水平。通过最终的数值仿真结果与实测值对比分析，可加强学生对土力学的力学性质的理解，提高其交叉应用所学知识和综合判断的能力。同时，每个学生的思维与擅长能力各不相同，如有的学生实际动手能力强、有的学生空间想象能力强、有的学生善于程序的编写等。因此，如何综合发挥每位学生的特长，提高团体协作能力就显得十分重要了。显然，根据各位同学的实际情况分组进行土力学实验是较优的选择。然而，目前在土力学实验教学过程与成绩评价中未能充分体现该目标要求。例如，学生分组实验时，存在“搭车”现象10，考核过程未能体现各个学生的预习情况、实验操作完成度等。同时，在最终完成的实验报告中，未反映不同学科视角下看待实验问题以及实验小组成员间的相互协作。因此，如何在土力学实验教学过程及成绩评价中体现学生交叉运用各学科知识与团队协作能力值得深入思考。显然，上述教学现状第 1 1 部分的不足主要影响学生土力学理论知识的深化与数字化思维能力的培养;第 1 2 部分的不足主要影响学生实验实操与解决实际问题能力的培养;第 1 3 部分的不足主要影响学生交叉运用知识与创新能力的培养。该 3 方面的不足逐步递增又相互影响，已成为“新工科”人才能力要求的重要阻碍。2MatDEM 与虚拟仿真的运用框架构思针对前述教学现状存在不足的 3 方面，将引入矩阵离散元仿真软件 MatDEM 和虚拟仿真实验教学平台至土力学实验教学实践中。MatDEM 是我国南京大学刘春团队研发的矩阵离散元分析软件。该软件突破性地实现了离散元材料自动建模以及离散元系统的能量守恒计算等;软件综合了前处理、计算、后处理和强大的二次开发功能6。软件提供土力学实验模块，可方便利用已有模板开展土力学实验的离散元数值仿真。同时，软件强大的二次开发功能，能够为学生对实际工程问题的研究仿真提供强有力的平台保障。学生通过对该软件的学习可综合提高学生编程能力、数值仿真能力以及综合运用已有知识解决实际岩土工程问题的能力。软件还能有效模拟地质滑坡、多场耦合与流固耦合问题等，可为学生的毕业设计及后续科研发展提供有力支撑。因此，引入该软件能够有效提高学生土力学理论认知及数字化思维能力。虚拟仿真技术应用于实际教学中，具有众多优点，如资金投入较少、实施操作简便、生动形象等11。教育部为推进现代信息技术融入实验教学课程，提升实验教学质量和水平，成立了国家虚拟仿实验教学项目共享平台。近年来各高校也努力将虚拟仿真技术引至实验教学中11 13。为推动土力学实验教学改革，在土力学实验教学中将充分利用虚拟仿真的共享平台，积极探索线上线下教学相结合的新模式。针对某些实验，如土的三轴实验，教师在课堂清楚讲述实验原理、演示操作步骤后，学生通过虚拟仿真平台(如图 2 所示的虚拟平台)进行多次详细的操作演练14。显然，通过线下的实验讲述与仪器操作结合线上反复训练必然可以提高学生的实验操作水平。利用 MatDEM 建立土力学实验的细观离散元数值模型，进而获得理想边界条件下的测试结果。然后，通过实验室土力学实验的现场测试结合虚拟仿真实验获得土力学的宏观力学测试结果。通过对比两者测试结果，获得实验方法的改进和数值建模的优化。最后，基于合理的实测数据进行实验总结，并69第 2 期周茂定，等:离散元与虚拟现实相融合的土力学实验数值仿真研究图 2虚拟仿真三轴实验仪展开数值仿真的变参数分析，最终获得有价值的实验报告。在完成本实验报告环节中，不断提高学生交叉分析与解决问题的能力，并激发其创造力。“新工科”背景下，引入 MatDEM 与虚拟仿真技术至土力学实验教学中的整体框架如图 3 所示。图 3土力学教改框架示意3教学过程的方案设计在具体教学过程中，笔者拟采用以下方案对土力学实验进行教学改进:(1)土力学理论教学中引入离散元原理为了使学生从宏观与细观两大方面全面了解土体的力学性质，需在土力学理论教学中引入基于颗粒力学特性的离散元分析方法。由于受课堂教学课时的限制，离散元的学习主要安排学生线上自学。线上可利用离散元的网课(如中国大学 MOOC、仿真秀等)开展，进而通过线上线下结合方式，完成土力学的理论教学过程，使学生具备扎实的理论基础。(2)学生分组与任务布置为确保土力学实验教学的顺利进行，教师需设计教学分组方案;按照学生土力学理论知识与离散元数值仿真水平的掌握程度，结合学生其他专业基础课程的综合学分绩，将学生分为优、良、中、差四个档次。分组时特别注意每位同学的特长，按照合理比例将学生分入每组中，确保每组实力相当，并设组长一名。教师提前与学生沟通，给每组分配实验前的预习与 MatDEM 的数值模拟任务。(3)实体操演与虚拟仿真平台训练为确保学生能够充分认识实验设备及熟练掌握实验测试过程，需通过实体和虚拟仿真实验平台进行演练。在实验室，教师通过实体操作演示使学生充分认识实验设备与关键实验步骤的操作细节;然后，对于一些不受实验设备及场地条件限制的实验，学生通过实体操作，进一步掌握实验原理与测试方法，并获得实验结果。对于受实验条件限制学生不能全过程训练的实验(如三轴实验等)，安排学生利用虚拟仿真实验平台进行线上操作实践(如图4)15，进而使每位学生能够充分理解和掌握实验原理与测试方法，促进学生动手实践的能力。图 4三轴实验的部分虚拟仿真过程(4)基于 MatDEM 的土力学实验数值仿真为训练学生的数值仿真水平，提高学生数值化思维能力，需开展土力学实验过程的数值仿真模拟。基于前述的学生分组，以组为单位，利用 MatDEM 软件开展，单轴压缩、直剪、扭剪等土力学实验的离散元数值仿真。学生充分利用线上、线下资源学习MATLB 软件和矩阵离散元软件 MatDEM，不断提升自我的编程水平和科学计算能力，进而能够利用软件进行土体的堆积、切割、边界条件的施加等数值仿真过程，最终能够完成一些常规土力学实验的数值仿真。图 5 为土力学中的直剪与常规三轴实验的数值仿真图示5。显然，通过土力学实验的离散元数值仿真，不但可得到土体宏观力学表现，还能充分获得土颗粒的细观力学行为等。同时，通过实验的数值仿真，使学生清楚掌握实际实验条件与理想实验条件下的土体力学差异，全方位地理解土体的力学行为。79陇 东 学 院 学 报第 34 卷图 5基于 MatDEM 的土力学实验过程(5)变化实验边界条件与参数进行数值仿真为保证学生后续专业课程以及毕业设计的顺利进行，提高其解决实际工程问题能力，需基于数值仿真模型，开展变化参数与边界条件的岩土工程实验数值分析。在土木、水利工程的后续专业课程中，涉及很多岩土体实验，如有侧限压缩实验、岩体的真三轴实验等。教师通过选取有代表性的岩土体实验，分组安排数值仿真任务。此时，学生只需在原有数值模型中修改材料参数及边界条件等，完成新的测试验证(如图 6)，达到灵活运用数值仿真技术解决实际工程问题的目标。图 6岩土体的力学实验(6)实验总结与成果考核学生在完成上述实验测试与数值仿真过程后，开展实验操作总结以及数值仿真的对比讨论，完成实验报告。在成果考核环节，分组展示实验总结与数值仿真成果。依据各组的实验完成度与成果展示，给予每组的整体评价分;在此基础上，根据组内各个学生对该组实验完成的贡献率与平时各方面的表现，进行个人成绩的量化，最终两者综合即成为学生的最终成绩。4考评机制与效果分析为实现工程认证中解决“工程问题能力”的目标，实现传统教学方式向“以学生为中心，学生自主学习”的转变15，针对学生的考评机制也应与之相对应。为体现以学生为主体的指导思想，基于工程认证体系的目标需求，结合前述教学方案的设计，制定出新的目标达成与评价体系(如表 1)。表 1目标体系的达成机制与评价标准考核类别评价依据目标分值占比(%)实验 前 的 学 习环节慕课学习程度8团队表现综合6个人参与情况620真实与虚拟的实验过程实验内容了解与提问8实验过程规范、正确8实验数据的合理分析925实验的数值仿真模拟环节仿真基本原理的掌握5仿真软件的编程运用10仿真结果的合理分析1025团队实验与数值仿真成果总结与展示实验与仿真结果对比8变参数仿真结果分析7实际工程应用的预想5个人在全过程的贡献5团队的整体协作能力530由于新的考评体系与传统教学模式的考评存在较大差异，因而新方式与传统模式下的学生成绩可比性较差。然而，相对传统模式，学生已将土力学及其实验的学习当成一项“工程项目”来完成。为完成这些实验，学生开始主动查找相关学习资料，学习积极性与兴趣得以提高，最终提交的报告不再“千篇一律”，搭车现象得以改变。同时，在参与学校的SIETP 项目上，较多学生将所学土力学数值仿真能力得以应用，并获得较好的评价。部分学生考上本校研究生之后，在参与的工程项目中(如黑燕水库的科研项目)，已利用所学数值仿真方法去解决如边坡的滑动等实际工程问题。5结语以“新工科”人才能力需求为改革目标，梳理目前土力学实验教学的不足，以实现土力学实验教学的数字化、信息化为抓手，融合利用新的虚拟仿真与离散元技术，对土力学实验教学进行立体式改革。89第 2 期周茂定，等:离散元与虚拟现实相融合的土力学实验数值仿真研究通过引入虚拟仿真实验平台至土力学实验教学中，突破实验设备等条件限制，大幅度提高了学生的实践动手能力。将基于颗粒力学模型的离散元分析技术引入至土力学理论与实验教学中，搭建了联系真实世界土体的颗粒组成与宏观连续介质力学模型的桥梁，不但加深学生对土力学相关理论知识的理解，也极大地提升了学生的数值仿真能力。在教学过程中充分利用了信息与数字技术手段，采取线上线下相结合的教学模式，提升学生自主利用网络进行学习与实验训练的能力，同时将计算科学与实验科学相互融合，以此激发学生创新与解决实际工程问题的能力。参考文献:1 中华人民共和国教育部高等教育司“新工科”建设复旦共识 J 高等工程教育研究，2017(1):10-112 中华人民共和国教育部高等教育司“新工科”建设行动路线(天大行动)J 高等工程教育研究，2017(2):24-253 黄洪猛，王春芬，魏相君，等 新工科视角下的土木工程校内实践平台构建与应用 J 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