数值模拟技术在岩石力学课堂教学中的应用

工作：①明确本次教学目的。教学前需要预先将相关内容先讲授给学生，包括试件的准备、加载条件、数据的获得手段以及数据的分析方法等等。在讲授的过程中给学生留一些问题，让学生带着问题来听课，这样会比学生茫然地听课效果要好；②简要介绍数值模拟技术。这里不是教学重点，可以一带而过；③教学过程中观察的重点。这里需要留一个小作业，要求学生描述数值模拟过程中的各种变化，实际上这可看作是对数值模拟技术辅助教学的后评估，检验教学效果。

岩石力学教学中，岩石在单轴压缩时的变形特征是课程中关于岩石力学性质的第一个内容。这对于学生来说理解较困难，在教学中也是一个难点。下面以岩石在单轴压缩的数值实验为例来说明数值模拟技术在岩石力学课堂教学中的应用。

首先，建立试件模型。图1为在FLAC3D中所建立的试件模型，模型按照教科书的要求标准建模（长度与直径比为2），该模型已被网格化；其次，设定试件的应力边界条件。这里结合讲解岩石在不同荷载条件下的力学特征，加深学生对岩石的力学性质影响因素的认识。具体到本次教学，在试件的垂直方向分级施加载荷，采用国际岩石力学学会建议的加载速率0.5MPa/s；最后，进行数据分析。在数值实验过程中采取轴向应力与应变，实验结束后获得的应力—应变曲线见图2。经比较分析，可以发现，该曲线与岩石在实验室加载所获得的曲线相比，两者无论是曲线的发展过程还是曲线的形态特征都极其地相似，并且这一发展过程能够以动态的形式呈现在学生面前。

图1 岩石试件模型图

a

图2 实验获得的应力—应变曲线图

此外，通过对FLAC3D内置fish语言的开发，可以呈现出单轴压缩后岩石内部塑性破坏区的分布情况（见图3），这一点在实验室实验是做不到的，但是对学生来说比较具有吸引力。而这些都能够提高学生对岩石单轴压缩时变形与破坏的认识，激发学生的学习兴趣。

图3 试件塑性破坏区分布图

四、教学效果

通过在我校采矿工程2012届、2013届这两届学生的教学实践，教学效果如下：①激发了学生的学习兴趣。学生课余时间提问题的积极性明显上升，改变了学生对力学类课程除了计算还是计算的消极印象；②加深了学生对课程教学内容的理解；③扩大了学生的专业知识面。数值模拟技术在课堂的应用拓宽了学生的思路，激发了学生学习数值模拟技术的兴趣，为学生打开了一扇知识大门；④促进了学生学习方式的转变。学生通过这一教学形式，认识到问题解决方式的多样性，提高了解决问题的能力，能够引导和推动学生积极地投身到应用研究型的岩石力学学习。

五、结语

数值模拟技术结合多媒体及其他先进的手段应用在岩石力学课堂教学中，可以在学生缺乏直观认识的情况下，激发学生学习的兴趣，对于加深学生对岩石力学课程相关知识点的理解、推动岩石力学课程的教学将起到重要的作用。但是，数值模拟技术只能是起到辅助教学的作用，它仅仅是展示已知力学现象的作用，并不能完全替代实验教学。因此，学生动手做力学实验还是必须的，只有这样相互对照、验证，才能够加深学生对所学知识的认识，提高教学效果。

参考文献：

[1]朱万成， 唐春安， 梁正召等. 应用数值试验方法，推进岩石力学实验的教学[J]. 力学与实践， 2004，（2）.

[2]战玉宝. 数值模拟在岩石力学案例教学中的应用[J]. 中国科教创新导刊，2012，（7）.

[3]陈育民，徐鼎平. FLAC/FLAC3D基础与工程实践[M]. 北京：中国水利水电出版社，2009.

[4]彭文斌. FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.

推荐访问:力学 岩石 数值 课堂教学中 模拟