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　　二、数值模拟演示在钢结构课程教学中的应用

　　（一）钢结构的连接

　　钢结构的连接主要包括焊接、栓接和铆接三种形式。铆接传力可靠，塑性、韧性均较好，但由于其制作费工且劳动强度高[5]，只在一些特殊工程中应用。这里主要介绍ABAQUS数值模拟在焊接和栓接教学中的演示效果。

　　焊缝按照其截面形状可分为对接焊缝和角焊缝，两者截面上的区别在教材中有较为详细的论述，可以满足大多数学生课堂学习和理解的需要。而不少学生在理解不同对接接头焊件宽度或厚度相差4 mm以上的对接焊缝需要放坡时，会存在不同程度的理解困难，甚至有学生在课堂教学结束后，还要专门询问坡口焊的位置、形状等直观概念。因此，可以基于ABAQUS有限元软件建立不同宽度或厚度的三维实体模型，设置焊缝单元，通过不同厚度差的对接焊缝受力分析，向学生演示该类型焊缝的构造起因（减少应力集中）、焊接位置和形状等几何信息，使得学生对该部分内容形成相对直观的概念，加深印象。相似的问题还常出现在有单面或者双面搭接板的角焊缝连接传力分析和钢结构连接例题的受力分析中，由于部分学生对三维几何形体缺乏清晰直观的感受，导致在讲解多数例题时不能准确及时地理解结构的传力途径，进而导致其内力计算的错误分析。

　　对于焊接残余应力，课程大纲要求主要掌握焊接残余应力的种类、产生的原因及其影响，其中焊接顺序和施焊方向会对残余应力的大小和分布产生影响。而不少学生在学习和理解时，常常把相关因素混淆起来。可以通过数值模拟的方法，建立两块连接板和焊缝单元，焊缝单元的弹性模量随温度升高而降低，对焊缝单元预先施加温度，然后依据不同的焊接顺序和焊接方向利用单元生死技术对焊接单元依次降温，最终可以在连接构件中显示与教材所述残余应力分布图形规律相似的残余应力分布图。通过改变不同初设参数，可以让学生对焊接残余应力的主要原因及分布形式有清晰而深刻的印象。同时还可变换焊件的边界（固定或自由），以引导学生深入思考和理解残余应力对静定或超静定结构的影响。

　　连接板的受剪螺栓群验算包括连接板的净截面强度验算和被连接件的净截面强度验算，在同强度情况下，通常取二者之间厚度较小的净截面来验算强度，但是对于连接板和被连接件的最不利截面通常不在同一位置，因此，必须清楚理解该连接的内力传递和破坏形式，方能对连接强度进行正确的验算。尤其是教育教学错排螺栓排布时，净截面破坏除了第一破裂面（直线）外还可能出现在第二破裂面（折线）处。在课堂教学中，可通过ABAQUS有限元软件建立带连接板的受剪螺栓连接模型，然后进行受力分析，通过截面内力的输出，为学生详细展示每一排螺栓截面处的内力大小；此外，还可建立错排螺栓排布时的连接板模型，通过改变螺栓孔直径，使得最小净截面分别位于直线排布的螺栓孔和折线排布的螺栓孔处，通过拉伸分析，为学生展示破坏截面发生于直线或折线时的情况，如图1所示。 

　　（二）工字钢梁的整体失稳、局部失稳和强度破坏

　　钢结构的受弯构件需进行强度验算、局部稳定验算和整体稳定验算等，其中强度验算以最大应力小于材料屈服应力为准则（考虑截面塑性发展），局部稳定通过构造措施（宽厚比）来保证，整体稳定验算通过整体稳定系数来进行验算。在学习过程中，由于学生缺乏对整体失稳形态的直观概念，往往采用死记硬背的方式将整体稳定系数公式生搬硬套，在作业或者考试中常常出现各种不应该发生的错误。以工字钢梁为例，在ABAQUS有限元模型中通过改变翼缘和腹板的宽厚比、侧向约束等，使工字钢梁分布产生强度破坏、局部失稳或整体失稳的破坏形态，并通过整个加载过程的慢速动画演示，引导学生对各种破坏形态的产生条件进行深入讨论，并最终准确理解掌握，如图2所示。同时，还可对工字钢梁的端部约束条件进行变化，说明教材中的整体稳定验算所需要的边界条件，是端部可以在梁平面内转动并有可靠的防侧向倾覆措施，以加深学生对后续梁柱节点构造处理的理解和掌握。