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岩石力学课程基于FLAC3D数值模拟技术的教学改革

2023-08-30 31 上传者：管理员

摘要：通过岩石力学学科常用软件FLAC3D在工程教学中的应用，可以促进学生对岩石力学FLAC3D课程理论的理解。通过三维彩色应力云图和Profile应力曲线展示，教学过程更加生动形象，学生不仅较好地理解、掌握各章节概念和理论，而且提高了学习积极性和解决实际工程问题能力。

关键词：
FLAC3D
岩石力学
应用性基础学科
教学模式
数值模拟
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岩石力学是近代发展起来的一门应用性基础学科，理论基础相当广泛，涉及固体力学、流体力学、计算数学、结构力学、弹塑性理论、工程地质等，多学科合作、协同研究是加速岩石力学发展的重要途径。岩石力学是采矿工程专业必修课程，也是理论与实践紧密结合的应用性专业技术课程。随着数值计算方法与计算机技术的发展，数值模拟已被广泛运用到科研工作，采用数值方法为岩石力学提供辅助教学，成为材料与工程力学教育追求的目标[1,2,3,4,5,6]。

近年来，以FLAC3D数值模拟为代表的仿真技术极大地改变了传统认知，也改变了传统教学模式，可以有效解决学生学习岩石力学课程的诸多困难。本文将借助FLAC3D有限元差分软件，对岩石力学基础教学模式进行改革[7]。

自1953年数值模拟技术诞生以来，经过60余年的发展，已发展了许多数值模拟软件，如PHREEQC、GEM、ANSYS、ABAQUS、MATLAB、RFPA、DDA、FLAC3D等，其中ANSYS、ABAQUS、RFPA、FLAC3D等软件常用于岩土工程领域[8,9,10,11]，各类软件有对应的数值分析方法，如有限单元法、有限差分法、离散单元法、连续-非连续单元法等[12]。岩土工程问题包括随工程活动时间变化，岩土体中节理、裂隙等各种不连续面及其扩展和自然环境变换过程数值模拟，基于现场实测位移开展位移分析是数值分析获取较准确计算参数的有效方法。

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua 3D）是由ITASCA公司研发，基于快速拉格朗日分析方法的岩土有限差分软件，能够准确描述岩土体材料的非线性破坏和流动特征，数值计算收敛效果好，广泛应用于各种三维岩土工程研究与设计。在FLAC3D建立的模型中，必须制定其3个基本组成部分：有限差分网络、本构行为和材料特性、边界和初始条件。

一、岩石力学数值分析课程教学存在的问题

一是学时限制。教材选用高等教育出版社出版吴顺川主编的《岩石力学》。学习岩石力学课程需要按顺序学习绪论、岩石工程地质环境、岩石物理力学性质、结构面与岩体力学性质、工程岩体分级、岩体强度理论、岩石本构关系、岩石地下工程、深部岩石工程、岩石地基工程、岩石边坡工程、岩石动力学、岩石工程流固耦合、岩石力学数值分析方法等章节。受学时限制，仅学习教材部分内容，岩石力学课程章节较多，且推理过程复杂，十分耗费时间，学生无法按时完成岩石力学数值分析方法等任务。

二是软件无法正常运行。运行数值模拟软件需要高性能计算机，许多高校的计算机老旧，仅能达到日常的网络通讯、查找文献功能，学生的笔记本电脑也无法在特定时间内运行此类数值模拟软件。以基础课教学为主的计算机一般满足不了此类课程上机的需要，大规模投资又有一定困难。

三是考核标准不明确。多数高校因受课程课时限制，无法正常学习数值模拟章节，考核学生岩石力学课程时不会将其纳入考核章节。即便是学习完数值模拟课程，也并未将其在计算机上进行演示考核，没有达到教育教学考核要求。

二、教学模式改革主要内容

（一）构建课程教学内容框架

内容是教学目标的具体表现形式，应与教学目标相对应，根据教学内容对课程知识单元进行切割[13]。以FLAC3D为例，将岩石力学工程实例问题划分进行模拟，见图1。

（二）构建工程教学专用计算机教室

构建专用计算机教室，用于学生学习工程类软件。要求计算机教室专业性强，各项配置很好满足运行专业软件的特殊需要。为了满足数值模拟课程教学的需要，对于计算机的运算速度、处理图形能力、显示器显示尺寸配置、图形输入、输出设备等都有较高要求。开展岩石力学教学的专业应选配搭载FLAC3D数值模拟软件计算机，组织相关技术人员进行软件安装、测试及定期维护。

图1 FLAC3D教学课程分组

（三）教学实践

结合实际工程施工案例，利用FLAC3D有限差分软件，通过数值运算模拟过程中强大的数值计算功能，生动直观的三维立体显示功能，丰富多彩的彩色云图功能和明了简洁的曲线图形显示功能，将FLAC3D和岩石力学基础课程的教学结合在一起。通过对某一章节内容的课程教学，进而转变为“学生主体，教师主导”计算机数值模拟教学，共同完成学习和教学任务，使学生对学习岩石力学课程中难以理解的自重应力、附加应力等计算和应力分布规律等有一个全新的概念和理解。通过FLAC3D三维模拟教学实践，学生对于该课程充满了新鲜感和好奇心，授课效率得到提高，课前预习、课后复习和独立完成习题作业的质量大幅提高。为满足应用型人才培养定位要求，教学实践注重面向行业企业实际和产业发展需要，注重教学实践的针对性和实效性[14]。

（四）优化课程考核方式

优化课程考核成绩组成部分，丰富过程考核手段，明确课程考核目标。岩石力学数值模拟课程的评价项目分小组作业、课程表现、考试成绩对学生进行考核，从多方面对学生的能力和表现进行考核，建立课前、课堂、课后相结合的多元化成绩评定标准，如表1所示。

表1岩石力学数值模拟课程考核方式

三、结语

通过教学模式改革，利用数值模拟方法，丰富岩石力学课程上机实践教学内容，提高了学生学习主动性。开拓计算机数值模拟软件在工科教学的新模式，岩石力学数值模拟课程教学兼顾了课前、课堂、课后全过程考核。数值模拟可在不同条件下重复实验，且更改参数简单，能弥补实验教学中不能实现或者不容易实现的展示和设计。

参考文献:

[1]年廷凯岩石力学课程实践性教学改革探讨[J]教育教学论坛,2014(10):175-176.

[2]李连崇,梁正召,天辉,等.高性能计算技术在岩石力学课程教学中的应用[J].高等建筑教育,2010,19(1):126-130.

[3]张义平,刘勇,曹云钦.应用数值试验促进岩体力学教学[J].贵州大学学报:自然科学版,2007 ,35(4):436-440.

[4]唐春安脆性材料破坏过程分析的数值试验方法[J].力学与实践,1999(2):21-24.

[5]王述红,唐春安,朱万成,等数值试验在岩石力学实验教学中的应用[J]实验技术与管理,2003(6):140-143.

[6]王述红,梁成,杨勇,等.应用真三维岩体建模仿真技术推进岩石力学教学改革[J].力学与实践,2011 ,33(1):89-91.