摘 要 工程力學(xué)系列課程具有較強(qiáng)的理論性和廣泛的工程應(yīng)用性的特點(diǎn)。為了促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)工程力學(xué)系列課程的興趣和提高學(xué)生解決工程力學(xué)實(shí)際問題的能力，應(yīng)該加強(qiáng)CAE技術(shù)在工程力學(xué)系列課程教學(xué)中的推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 CAE技術(shù) 力學(xué)課程 推廣應(yīng)用

中圖分類號：G423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

The CAE Popularization on the Teaching

in Curriculums of Mechanics

HUANG Zhongwen

(Mechanical and Electronical Engineering College,

Wuhan Engineering University, Wuhan, Hubei 430205)

Abstract The series curriculums of engineering mechanics are theoretically developed with engineering application. The CAE techniques popularization ought to be strengthened in curriculums of engineering mechanics, which on the one hand, promotes the students' interest in engineering mechanics courses and on the other hand, enhances students' abilities to settle practical problems of engineering mechanics.

Key words CAE; curriculums of mechanics; popularization

0 前言

當(dāng)今世界由于經(jīng)濟(jì)和科技都在迅速發(fā)展，社會中的各行各業(yè)特別需要不僅具有一定理論水平的而且具有較強(qiáng)實(shí)踐應(yīng)用能力的綜合性應(yīng)用型人才，在工程力學(xué)的技術(shù)應(yīng)用方面更是需要這樣的復(fù)合型人才。

以工程力學(xué)基本理論為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助工程結(jié)構(gòu)分析（CAE）技術(shù)是一種結(jié)合計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算工程科學(xué)理論的最有效的計(jì)算方法。CAE技術(shù)的工程軟件比較多，其中ANSYS軟件最為廣泛。CAE技術(shù)目前已經(jīng)成為工程結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的現(xiàn)代方法，工程技術(shù)人員需要學(xué)會并掌握這種現(xiàn)代技術(shù)。

不斷改進(jìn)工程力學(xué)系列課程的教學(xué)方式，在力學(xué)課程教學(xué)過程中推廣使用CAE技術(shù)的上機(jī)訓(xùn)練教學(xué)，可以促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)工程力學(xué)系列課程的興趣，最終指導(dǎo)學(xué)生學(xué)好工程力學(xué)系列課程并掌握CAE技術(shù)。加強(qiáng)以ANSYS軟件為主的CAE技術(shù)在工程力學(xué)系列課程教學(xué)中的推廣使用，使工程力學(xué)理論與實(shí)踐應(yīng)用相互滲透融合，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程力學(xué)實(shí)際應(yīng)用能力是應(yīng)用型工科本科院校在工程力學(xué)系列課程教學(xué)中的一項(xiàng)迫切的任務(wù)。

1 CAE技術(shù)在理論力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

理論力學(xué)的靜力學(xué)理論中會遇到桁架結(jié)構(gòu)的靜力分析，在理論力學(xué)中手工計(jì)算求解桁架結(jié)構(gòu)的方法主要有：結(jié)點(diǎn)法、截面法及其聯(lián)合應(yīng)用。桁架結(jié)構(gòu)為工程中大跨度結(jié)構(gòu)的一種常用形式。桁架結(jié)構(gòu)是由許多桿件互相鉸接形成的體系，若載荷只是作用在結(jié)點(diǎn)上時(shí)，則桁架結(jié)構(gòu)中的每根桿件都是二力桿，每根桿的內(nèi)力都主要是軸力，可能為壓力也可能為拉力。

采用以ANSYS軟件為主的CAE技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)來計(jì)算求解各種桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析?？梢宰寣W(xué)生采用ANSYS軟件計(jì)算求解一些簡單的桁架結(jié)構(gòu)，得到結(jié)果后再與手工計(jì)算的理論值進(jìn)行比較。如圖1所示為采用ANSYS軟件計(jì)算求解出的某一桁架結(jié)構(gòu)受力變形后的軸向應(yīng)力云圖。

2 CAE技術(shù)在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)力學(xué)理論中通常會遇到剛架結(jié)構(gòu)和桿系組合結(jié)構(gòu)的靜力分析。剛架結(jié)構(gòu)為常用的一種工程結(jié)構(gòu)，剛架結(jié)構(gòu)是由許多桿件互相剛接形成的體系，各桿件在各橫截面上有軸力、剪力和彎矩等內(nèi)力。桿系組合結(jié)構(gòu)也為一種常用的工程結(jié)構(gòu)，在桿系組合結(jié)構(gòu)中，一部分的桿件為梁式桿，承受軸力、剪力和彎矩的作用；另一部分桿件為二力桿，只承受軸力的作用。

采用以ANSYS軟件為主的CAE技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)來求解結(jié)構(gòu)力學(xué)中的各種桿系結(jié)構(gòu)?？梢宰寣W(xué)生采用ANSYS軟件計(jì)算求解一些簡單的剛架結(jié)構(gòu)或者桿系組合結(jié)構(gòu)，得到結(jié)果后再與手工計(jì)算的理論值進(jìn)行比較。如圖2所示為采用ANSYS軟件計(jì)算求解出的某一剛架結(jié)構(gòu)承受荷載后的彎矩圖。

3 CAE技術(shù)在材料力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

材料力學(xué)理論中的簡支梁、懸臂梁和外伸梁等主要是承受剪力和彎矩作用，拉壓桿主要是承受軸力作用，另外彎扭組合變形中的軸類構(gòu)件是一種典型的實(shí)際工程構(gòu)件，各個橫截面上主要是承受剪力、彎矩和扭矩等的共同作用。

采用以ANSYS軟件為主的CAE技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)來求解材料力學(xué)中的各種軸類構(gòu)件。對于軸類構(gòu)件可以采用桿件結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，也可以采用空間實(shí)體結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，采用實(shí)體結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法更加精確，可以讓學(xué)生采用ANSYS軟件分別通過兩種方法計(jì)算求解出某一軸類構(gòu)件受力的變形和應(yīng)力后，再將結(jié)果進(jìn)行相互比較。如圖3所示為利用ANSYS軟件采用實(shí)體結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法計(jì)算求解出的某一傳動軸承受荷載后的等效應(yīng)力云圖。

4 CAE技術(shù)在彈性力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

彈性力學(xué)理論是研究各種形狀的固體的實(shí)體結(jié)構(gòu)問題，實(shí)體結(jié)構(gòu)分析問題含有平面結(jié)構(gòu)問題和空間結(jié)構(gòu)問題兩大類。彈性力學(xué)的公式和理論都非常復(fù)雜，雖然彈性力學(xué)研究各種形狀固體，但也只能對規(guī)則簡單形狀的物體獲得精確解。采用以ANSYS軟件為主的CAE技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)來求解彈性力學(xué)中的各種結(jié)構(gòu)?？梢宰寣W(xué)生采用ANSYS軟件計(jì)算求解一些簡單的實(shí)體結(jié)構(gòu)，得到結(jié)果后再與彈性力學(xué)的理論值進(jìn)行比較。

平面問題的應(yīng)力分析是彈性力學(xué)中的一項(xiàng)主要內(nèi)容，帶孔平板的應(yīng)力分析是平面問題中的一種典型問題。如圖4所示為采用ANSYS軟件計(jì)算求解出的某一帶孔平板受力變形后的等效應(yīng)力云圖。

5 結(jié)語

通過上述幾個實(shí)例分析表明，有必要在各門工程力學(xué)系列課程教學(xué)中設(shè)置相應(yīng)的上機(jī)學(xué)時(shí)，把計(jì)算機(jī)輔助工程結(jié)構(gòu)分析即CAE技術(shù)引入到工程力學(xué)系列課程的教學(xué)中來。不僅要求學(xué)生掌握工程力學(xué)的基本理論，而且還要求重點(diǎn)突出上機(jī)教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生知道可以通過計(jì)算機(jī)去完成繁瑣復(fù)雜的工程力學(xué)計(jì)算問題，這樣能夠徹底改變學(xué)生在學(xué)習(xí)工程力學(xué)系列課程時(shí)感覺到計(jì)算公式較繁瑣的枯燥無味的狀態(tài)。

工程力學(xué)系列課程具有較強(qiáng)的理論性和廣泛的工程應(yīng)用性的特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)輔助工程結(jié)構(gòu)分析（CAE）技術(shù)以ANSYS軟件的使用最為廣泛。為了促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)工程力學(xué)系列課程的興趣和提高學(xué)生解決工程力學(xué)實(shí)際問題的能力，應(yīng)該加強(qiáng)以ANSYS軟件為主的CAE技術(shù)在工程力學(xué)系列課程教學(xué)中的推廣應(yīng)用。

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