“新工科”背景下结构设计大赛对大学生创新设计能力的培养.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期133文章编号：2095-6835（2023）18-0133-04“新工科”背景下结构设计大赛对大学生创新设计能力的培养马法荣，李 东，吴敏龙，赖治强，李宗娟，魏婷婷（河西学院土木工程学院，甘肃 张掖 734000）摘要：竹材具有良好的物理力学性能和可加工性能，具有现场制作方便、抗拉抗压强度大的特点，可制作各种结构模型。采用甘肃省第四届大学生结构设计竞赛赛题以竹材为主要材料制作桁架桥模型，结合 Midas Gen 有限元建模软件对结构进行仿真模拟并分析，从节点制作、结构特色及受力情况等多个角度给出最优的模型，在保证了结构模型特色的同时实现了对结构的正确分析和有效优化。并且通过竞赛以提高和培养学生的动手实践能力和创新设计能力，培养更加优秀的复合应用创新型土木专业人才。关键词：结构设计竞赛；桁架桥模型；有限元分析；创新设计能力中图分类号：G642文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.18.039近年来，随着新一轮国家科学技术创新研究战略计划课题的正式实施，中国理工科高等学校在人才培养层次方面上的具体要求也要随之进行改变，由原来简单的培养只要求本科生可以较好扎实地全面掌握有关本专业方向技术的科学基本和理论基础知识转变为将本科生培养成高级应用型科学技术创新拔尖人才，把应用型创新高层次人才队伍的重点培养放到了一个很重要位置1。同时由于国家战略和当代社会经济对高层次土木工程专业复合型人才队伍的总体需求也逐步做出了一个相应时期的优化调整，经过长期的办学实践探索，土木类专业创新人才培养目前已开始过渡进入到真正以重点培养复合应用型技术专业创新人才为办学目标导向的培养阶段2。复合应用型技术专业创新人才培养3-5要求应基本具备系统、完整、全面的工程知识结构体系框架和相对良好的工程技术综合素质。完整的课程知识结构体系一般由扎实的基础理论知识和前沿科技的专业新技术构成，二者结合是正确培养学生科技创新思维素质的主要前提条件；良好全面的个人综合道德素质主要包括有报效国家的家国情怀、服务奉献社会的道德思想、团结进取合作创新的团队精神以及坚守工作岗位的健康体魄，这是提高学生持续具备技术创新素质能力素养的重要保障。虽然当前常规的模块化教学体系已能够保证学生进行理论内容和专业技术层面上的学习，但如何在实践中培养学生的独立创新思维、提高学生自身的动手创新以及应用能力，仍是中国当前应用型高校培养复合应用型人才所面临的挑战6。因此，高校本科生教育体系应进一步将如何优化培养大学生知识结构体系和青年大学生创新综合应用素质提升作为未来培养创新型复合和应用型高素质创新拔尖人才体系的重要抓手，加大学生在创新能力方面的培养力度。故本文以甘肃省第四届大学生结构设计竞赛为学科背景，训练河西学院土木工程学院学生的综合创新能力、操作能力和创新思维。结构设计竞赛会使学生们在完成设计模型的同时，提高他们的动手能力、实践能力，锻炼他们团队合作和吃苦耐劳的精神。而这一特点与新时代培养复合应用型创新人才的需求非常契合。1设计说明1.1方案构思以甘肃省第四届大学生结构设计大赛题目为参考，题目要求设计结构在满足尺寸要求的同时也满足结构三级加载的要求，其中第一、二级加载为静力加载，对应模拟测试桥梁在不对称荷载作用下的静承载能力，主要测试结构和构件的抗压与抗拉承载能力。三级加载为动荷载加载，在静载基础上进行桥梁动载测试，测试结构的抗冲击性能。此外还要求结构具有良好的稳定性能，避免主要结构构件破坏和挠度超出允许范围。1.2结构方案对于本次的设计，经查阅多方资料后，分别考虑提出斜拉桥、梁式桥、拱桥和桁架桥 4 种桥型作为初基金项目甘肃省大学生创新创业训练计划项目（编号：S202110740047）；河西学院青年教师科研基金项目（编号：QN2021020）科技与创新Science and Technology&Innovation1342023 年 第 18 期步设计方案。斜拉桥作为大跨度跨海桥梁来讲，对构件刚度要求高，用集成竹皮强度恐无法达到，并且制作复杂，难度大，因此不做考虑。梁式桥有较好承载弯矩的能力，也可以很好地控制使用中的变形，但桥梁的稳定性问题突出，无法有效控制桥梁的扭转变形和偏心作用，因此梁式桥也不做考虑。拱桥最大主应力沿拱桥曲面作用，沿拱桥垂直方向最小主应力为 0，可以很好地控制桥梁竖直方向的位移，但其自重较大，在竖向荷载的作用下会产生水平推力，所用杆件材料用料多、自重大，结构不能协调受力，且设计复杂、计算烦琐，因此拱桥也不做考虑。桁架桥具有比较好的刚度，腹杆既可承拉亦可承压，同时也可以较好地控制位移，造型美观，跨越能力较大，相比之下，最终方案选定为桁架桥模型，如图 1 所示。（a）三维轴测图（b）正视图（c）左视图（d）俯视图图 1桁架桥模型图在确定最终的结构方案之前，做了多次尝试，每一次都是在前一个模型的基础上，针对其受力性能和破坏模式进行相应的优化，以使最终的结构最优。在方案设计过程中，需注意到以下 5 点：根据赛题规则，模型需要满足规定的承载能力和位移要求；并且模型受力性能的优劣是以单位承载力的高低进行区分的，故应尽可能减轻结构质量，提高材料利用率。模型所承受的第一级和第二级荷载是非对称分布的静荷载，第三级荷载为动荷载，这就对结构的空间受力性能提出了更高的要求，尤其是在变化的水平荷载作用下，结构应具有足够的抗扭转能力。由于模型加载是在指定的 8 个点上施加集中力，因此加载点局部杆件的受力较大，要防止因局部杆件的破坏而导致整个结构丧失承载力。模型与承台板之间采用自攻螺钉连接，是否能够牢固连接而更接近理想的固结支座对于整个结构的受力性能影响很大。模型结构中必然存在众多杆件需要在一个节点连接的问题，节点的构造对于杆件能否充分发挥承载能力至关重要，在设计中应尽可能保证“强节点”的制作，避免节点的破坏先于杆件的破坏。1.3结构特色结构多选用钢桁架结构，各两端弦杆件及其内部纵向受力分配关系等均都可以看作是单向且以径向拉、压弯受力方向为主，通过同时考虑到上下桁架两端的弦杆件和腹杆构件等的合理的对称组合布置，可做到同时适应整个钢结构体和内部结构复杂部分的垂直剪切弯矩特性要求和内部横向剪力分布。由于支座水平方向上产生的拉、压内力均只实现了到支座自身的受力平衡，整个支座受力平衡结构都不对支座本身产生水平推力，其受力合理，形式美观。节点间的特殊加固。根据 Midas Gen 软件有限元分析计算结果，对具有不同结构受力情况要求的加固节点可以采用完全不同类型的加固处理方式，契合了“强剪弱弯”“强节点弱构件”的抗震设计新理念。杆件的局部加强。根据美国 Midas Gen 软件的分析，桁架结构中不同截面部位的受力负荷情况均不同。因此，在保证尽可能多节省构件材料量的前提下仅对模型局部变形做一些加强性处理，增加了桁架结构受力的结构整体稳定性系数和工程可靠性，实现了“轻质高强”的设计理念。2结构分析及优化2.1结构分析2.1.1位移计算利用 Midas Gen 有限元计算软件在软件环境中建立模型，模拟竹结构模型在加载时受力的受力状况，在 Midas Gen 有限元建模结果分析报告中，对模型主要的参数进行了定义，弹性模量为 6.0103MPa，密度为 8 g/cm3，密度泊松比为 0.3；在实际进行结构内力模型分析试验时需要按实际空间结构计算进行内力计算，结构模型分析中考虑大部分桥梁杆件受力都存Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期135在着弯矩、剪力比和轴力，为了试验计算更方便，建议统一采用梁单元模拟试验；但是由于在结构节点处进行连接施工主要还是靠胶水来进行粘连，按刚接法计算受力较为合理。第一级加载在桥面上共设置 8 个加载点，对应的加载装置图如图 2 所示，加载点上竖向荷载加载工况如表 1 所示，对应的内力计算图如图 3（a）所示。单位：mm图 2加载装置平面图表 1荷载工况表单位：kg竖向荷载加载点12345678第一级13911108754第二级A02211108790B17911108750C22011108754D13901087515第二级荷载是在原有第一级荷载的荷载基础上又分为前后 2 个主要步骤分别进行的加载，具体步骤如下：保持 C 加载截面内的 2 个加载点 C1、C2保持静负载位置不变，从其最左侧的加载点取 A1，将在该加载点内的所有砝码均转移至其另一侧的 2 个 A2加载截面点上。将第一步移入荷载点上的所有砝码，全部都转移至第一个与该加载点坐标相同位置的 B 型轴对称点上。为了减小计算工作量，以扭矩最为严重的加载模式 A 为代表，分析其变形情况，如图 3（b）所示。由图 3（a）可知，一级加载工况下结构的竖向最大位移出现在距支座 40 cm 处，位移为 0.3 mm；由图3（b）可知，二级加载工况下结构的竖向最大位移出现在距支座 30 cm 处，位移为 0.5 mm。综上所述，结构在各种荷载工况下，都能够承受赛题规定的竖向荷载，且在第一、第二级荷载作用下，结构顶点的最大竖向位移都小于限值，满足位移要求。理论分析表明，此种结构方案较为合理，但实际结构模型能否达到理论计算值，还取决于在制作过程中的精细程度和对杆件节点的构造处理能否与理论计算假定相一致。（a）一级加载变形图（b）二级加载变形图图 3加载结果图2.1.2模型位移测试根据 Midas Gen 软件的分析结果，得到桁架桥位移为 0.50 mm，如图 4（a）所示。结构在竖向荷载和移动荷载的作用下，虽然发生了变形，但是整体性较好，位移相对较小，不影响其整体的稳定性。在实际模型加载过程中模型产生了变形，并没有发生断裂且挠度较小，如图 4（b）和图 4（c）所示，激光位移计记录的数据为 0.63 mm，如图 4（d）所示，基本与 MidasGen 软件加载结果相近，即理论方案的结果与实际模型结果基本一致。（a）桁架桥位移图（b）模型空载图科技与创新Science and Technology&Innovation1362023 年 第 18 期（c）模型加载图（d）位移计测试图图 4位移图2.2节点优化2.2.1支座节点支座内部主要用于承受竖向平面系统内的竖向集中荷载，支座的内支承桁架结构设计可以比较有效地解决减小截面以上荷载问题，从而使整个支座系统有了较强的侧向抗压弯能力。因此，在支座和内部桁架结构杆件节点间衔接的部分节点部位也应同时满足支座相应位置的横向受力强度要求，采用了 502 胶水直接将它们紧密粘结，考虑其接触部位面积要求较小，在其局部横向受力强度较大要求的节点部位采用竹粉胶和胶水共同作用加强并用竹皮进行缠绕，尽量能使各个建筑构件之间形成一个有机的整体，如图 5（a）所示。2.2.2梁加载处由于施加荷载较大，作为主梁的杆件容易被尼龙绳切割而造成主梁破坏，因此，在加载点处用竖杆与 2个斜杆进行支撑；同时用厚 0.2 mm 的集成竹皮包裹易破坏部位，使主梁在承受相应荷载的基础上质量达到最小，竹制材料便可以满足其要求，如图 5（b）所示。（a）支座节点（b）梁加载处图 5节点优化图2.2.3多节点之间的连接处杆件末端节点需要提前确定节点切割的角度，这样做才可以进一步地增大各杆件间节点的有效接触点面积，使整个节点结构更加紧密与牢固、稳定可靠。利用 502 胶水废料先进行节点的粘结，再利用竹条废料进行节点的卡位，防止在靠近节点部位的相邻节点产生较大的位移；然后采用竹粉废料填充节点空隙并以 502 胶水废料进行粘结固定节点的加固方式来加固节点，如图 6 所示。图 6节点加固图3结束语模型的理想状态下的数据总是与现实测得的数据有一定的差距，但是误差都在可控范围内，理论模拟结果可信度较高。通过力学结构优化设计技能竞赛，可以切实提升高校大学生科研创新应用能力，通过参与解读参赛题、初步仪器选型、力学结构计算、动手项目制作、查阅有关文献书籍等一系列过程，既能切实培养青年学生良好的实践创新能力意识、动手设计能力，还能培养他们的团队意识能力和自主合作精神。一个结构模型完成，理论设计是必要条件，精准制作是充分条件，二者是相辅相成的。模型制作也是一种技能，它需要熟能生巧，反复进行练习，不断在失败中总结经验，不断提高制作精准度和制作速度。在制作过程中会出现各种各样不同的问题，需要不断地遇到问题、解决问题，并在其中不断地提升自己的创新能力与实践能力。本文让学生们真实地感受到什么是理论与实践相结合，加深了对理论知识的理解。此外在制作模型的过程中感受到了无限乐趣，这种积极的作用也可以进一步培养学生的学习兴趣。参考文献：1杨瑞先，刘萍，宋根娣，等.地方高校生物技术专业应用型创新性人才培养模式改革：以洛阳理工学院生物技术专业为例J.轻工科技，2021，37（9）：191-192.2彭雪.“新工科”背景下高职路桥专业复合型人才培养探索与实践J.重庆建筑，2022，21（4）：33-34.3刘菁华，杜伟.浅谈高校学生创新思维培养J.祖国，2020（3）：181-182.（下转第 140 页）科技与创新Science and Technology&Innovation1402023 年 第 18 期未达到 50%，城镇地下水有 97.5%被污染。这主要是由于污水和废水的非法排放。智慧水务系统及智能终端设施 24 h 运行，可实现对关键行业、地区的持续监测，协助相关部门检查违法企业，收集违法排污的证据。智慧水务可以通过大量的数据和数字化模式，对污染的传播进行仿真，在情况变坏之前进行预警，及时采取措施，避免影响扩大。5.3提升水务管理水平智慧水务系统可以拓展政府部门和涉水单位的管理范围，提高管理决策的一体化、精细化和智能化程度。物联感知设施是智慧水务的重要组成部分，其庞大的信息资源可以为供水企业的安全生产决策奠定坚实的保障。而整合的智慧水务平台，则打通了各大企业之间的“信息”，将各大职能单位联系在一起，让管理人员对当前形势有一个全面的了解，从而提升了工作的协调能力5。通过对海量的数据进行深入挖掘和剖析，并将其中有意义的关键信息抽取出来，并根据问题作出相应的反应，提高了决策的科学性和全面性。5.4推动涉水行业发展智慧水务可以有效地规范水务行业的发展。由于没有相应的行业标准，造成中国水务市场乱象丛生，产品服务质量也很低，这也是造成中国水务行业发展速度较慢的重要原因。智慧水务的作用为实现数据的连接与分享，以打破企业的经营障碍，消除企业的管理壁垒，建立相应的硬件和软件产品的生产、系统和推动平台建设，进而推动整个行业的良性发展。智慧水务能够推动中国涉水产业的转变和升级。目前中国水利行业对现代化技术的运用还不够成熟，相比于电力、燃气等行业，水利行业发展明显滞后。广泛应用物联网、云计算、大数据、3G、4G 等新一代的信息化技术6，使水利与新一轮行业（包括业务内容、终端设备和系统平台）实现整合；新的业务方式也将发生变化，这将会推动水利行业的进一步发展。5.5形成新经济增长点智慧水务要求大面积更替现存的水务基础设施设备，可有力地刺激物联网、智能仪表和管道行业的发展，也为通信行业创造了一个投资热点。同时，智慧水务所采集和积累下来的海量数据将带来可观的市场价值，水务数据服务将随之出现。此外智慧水务还涉及 IT 硬件（芯片、存储、显示屏等）、软件（操作系统、数据库、应用软件）、网络基础设施（无线通信设备、有线通信设备、运营商）、互联网等，这些上下游相关产业将随着智慧水务的建设热潮迎来一轮新的发展机遇。6结论综上所述，智慧水务建设是新一代工业革命推动城镇供水排水行业高性能发展的必然趋势，也是城镇供水排水行业高质量发展的内在要求，有利于推动满足人民群众对美好生活的期盼，有利于促进城镇供水排水行业转型升级，有利于提升城镇水资源综合承载能力。参考文献：1张金松，李旭，张炜博，等.智慧水务视角下水务数字化转型的挑战与实践J.给水排水，2021，57（6）：1-8.2任海静，马一袆.我国智慧水务的发展现状及前景J.建设科技，2021（6）：60-63，67.3李美玲.智慧水务建设效益浅析J.城镇供水，2022（2）：6-14.4谢丽芳，邵煜，马琦，等.国内外智慧水务信息化建设与发展J.给水排水，2018，54（11）：135-139.5徐强，张佳欣，王莹，等.智慧水务背景下的供水管网漏损控制研究进展J.环境科学学报，2020，40（12）：4234-4239.6宗延萍.智慧水务系统在城市供水中的运用J.智慧建筑与智慧城市，2022（5）：178-180.作者简介：郭翔（1996），男，福建南平人，本科，助理电气工程师，研究方向为电气工程及其自动化。（编辑：严丽琴）（上接第 136 页）4李宁卉.大学生如何培养创新思维的思考与探究J.长江丛刊，2017（10）：191-192.5吕娜，汪鸿山，尚振华，等.学科竞赛提升大学生创新能力的探索与实践：以结构设计大赛为例C/黑龙江省高等教育学会 2019 年学术年会，哈尔滨：黑龙江省高等教育学会，2019.6马文超，刘健，郑国旭，等.大学生结构设计大赛竹制山地输电塔模型优化J.中国管理信息化，2021，24（17）：151-153.作者简介：马法荣（1996），男，甘肃兰州人，硕士研究生，助教，研究方向为大学生创新创业教育。（编辑：丁琳）