仿真系统中引入土体本构模型

由于土是一种松散介质，具有三相（固相、液相和气相）组成，其力学性质远远比金属固体材料复杂,所以土的本构模型也更加复杂。在实验仿真软件中，引入几种较为经典的土体本构模型进行计算机模拟，可以让学生更深入体会土体的复杂性及其本构模型对实验结果的影响。我们利用岩土工程有限元软件MIDAS/GTS，对土力学实验进行模拟，可以得到土体位移及应力分布图，计算结果可以导入我们的仿真系统中。这样可以利用已有的商业软件中的多种土体本构模型,比如莫尔库伦模型、邓肯－张模型等。直剪试验中，土体试样破坏时的应力图如图4所示。
1.对实验结果的曲线实时显示
本仿真软件操作尽量采用鼠标点击或者文件导入的形式来输入数据，可以减少数据的手工逐项输入，从而减少人与计算机交互过程中的失误，也提高了数据输入效率。在模拟过程中可以随时显示实验结果的实时曲线，如荷载与位移的关系曲线，与实际实验过程相一致。学生可以利用仿真软件模拟的结果数据进行处理，绘制各种变化曲线，获得所需的各种力学参数。
2.仿真软件在教学中的应用
从上述的功能描述可以看出，本实验仿真系统具有以下特点：(1)操作简单，便于使用，多数情况下只需点击按钮；(2)可视性较强，可以看到土力学实验的全过程，并以直观形象的图形表现出来；(3)仿真程序遵循土力学实验原理，较真实地反映土体试样的力学行为；(4)对试件进行实验加荷后立即可以得到变形结果；(5)交互性较强，操作者可以输入土体试样大小、荷载大小、加载速率等各种信息，可以获得实验结果数据及变化曲线。
本实验仿真系统被应用到土力学教学中，主要在两种情况下：一是在课堂里讲解实验原理时，将土体试样受力与变形过程展现出来，使学生更深刻地理解土力学的基本原理。二是在实验前让学生进行计算机操作，能够调动学生的学习积极性，使学生更深入地掌握土力学实验的基本步骤。
3.结语
仿真实验软件是通过操作计算机程序来模拟完成实验过程，不受实验室场地、实验设备、实验材料的限制，是培养学生综合创新能力的一种新手段。仿真实验为学生提供了一种虚拟实验环境，在这种环境下学生可以反复进行操作,并且快速获得实验结果，其方便性是实际实验所不可比拟的。仿真实验作为一种全新的教学手段，有助于激发学生学习专业知识的兴趣，在实验经费和实验设备受到限制的条件下，开展计算机仿真教学具有应用推广前景。但如何结合各自的专业特点，开发适合本专业学生使用的仿真软件，还有很多相关的问题需要深入探讨。