龍連春，劉海宏，楊慶生

（北京工業(yè)大學機電學院，北京 100124）

材料力學是傳統(tǒng)的技術基礎課，通過理論的講解、推演使學生掌握力學基本理論，通過實驗的感性認識，加深對理論的理解。但材料力學或工程力學課程設置的實驗數(shù)量非常有限，往往只有幾個學時，遠遠不夠。

國外在實驗教學中引入虛擬技術已經(jīng)比較常見，將數(shù)值模擬技術應用到課程實驗教學中，國內同行做了一些有益的嘗試。國內一些高校已開發(fā)出一些模擬實驗項目［1］，如:螺栓組受力分析及變形分析模擬實驗、減速器裝卸模擬實驗、機構設計模擬實驗、機構動力學性能仿真實驗、破壞過程數(shù)值實驗［2］等。其中:李茜等［3］介紹了數(shù)值實驗的步驟、特點及其在計算物理課程中的地位，針對課程教學中存在的一些問題，提出如何重視加強數(shù)值實驗環(huán)節(jié)的做法和建議；趙亞東［4］針對基礎課實驗室規(guī)模較小與教學任務繁重的突出矛盾，以建立虛擬實驗室為突破口對基礎課實驗教學改革進行了嘗試，分析了虛擬實驗的功能特點，并在實驗教學中開設虛擬實驗，加強了對學生虛擬實驗能力和動手操作能力的培養(yǎng)；王濤等［5］論述了創(chuàng)建數(shù)值模擬實驗的必要性，介紹了開發(fā)的2個材料力學數(shù)值模擬實驗以及實驗取得的成效，提出了進一步推進數(shù)值模擬實驗的設想；趙連華［6］應用ALGOR 有限元分析軟件和Authorware開發(fā)設計了一個包括拉伸、壓縮、扭轉、剪切、彎曲、壓桿穩(wěn)定、沖擊實驗的材料力學仿真實驗教學系統(tǒng)，并將材料力學的教學與ALGOR 的數(shù)值仿真技術結合起來，提高了教學效果，彌補了因實驗設備短缺對教學的影響；卞步喜［7］利用材料力學多媒體網(wǎng)絡教學資源系統(tǒng)解決了由于學生與教師交流時間短、實驗設備不能及時更新等問題，開展了創(chuàng)新模擬實驗；鄧勁蓮等［8－10］提出把現(xiàn)代計算機模擬技術和仿真技術運用到理論力學多媒體教學中，該形象直觀的教學模式是增強理論力學教學效果的有效手段之一，其動態(tài)效果和課堂實施性能好，使教學形式多樣化，獲得傳統(tǒng)教學所沒有的現(xiàn)場效果，更好地實現(xiàn)教學目的。

從以上現(xiàn)狀可以看出:數(shù)值實驗這種新的、具有創(chuàng)新意義的實驗手段正受到越來越多的重視，但也存在一些問題［11－12］，如:缺少系統(tǒng)性的應用與研究，針對學生學習簡單力學問題，數(shù)值模擬實驗的內容不明確，系統(tǒng)性學習一個有限元分析軟件需要花大量時間和精力，資料數(shù)據(jù)浩大，學生開始時往往感到無從下手等。而材料力學概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)已經(jīng)解決了這個問題，能在盡可能少的學時內，讓學生掌握模擬實驗方法，無需了解商業(yè)有限元分析軟件的使用，即可以使用商用軟件ANSYS進行材料力學或工程力學的數(shù)值實驗。

1 系統(tǒng)設計

設計本系統(tǒng)的目的是通過對材料力學基本概念的有限元模擬及結果顯示，增加對材料力學的教學及基本概念的理解，使材料力學中的一些基本力學概念以更加直觀的方式呈現(xiàn)在學生面前。目前系統(tǒng)的功能包括集中力作用下梁的分析（其中梁的截面包括矩形截面、圓截面、圓環(huán)截面、工字型截面、回型截面、T 型截面、L型截面、槽型截面和Z 型截面）、應力集中分析、圣維南原理分析、熱膨脹分析、純扭轉分析以及圓形截面、圓環(huán)截面和方形截面壓桿的軸壓屈曲分析。系統(tǒng)可以通過簡潔的界面輸入基本參數(shù)值，封裝調用有限元分析軟件ANSYS進行分析計算，對結果進行后處理，把理論結論通過有限元計算即后處理的方法可視化展現(xiàn)出來。其中輸入界面采用VB6.0進行編輯，直觀、方便，并且有很好的交互性，學生只要有材料力學的基本知識，而不需要掌握有限元的知識和ANSYS的使用方法就能夠方便、快捷地建立基本分析模型，并演示出最終結果。材料力學概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)界面如圖1所示。

圖1 材料力學概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)界面

2 VB封裝ANSYS的實現(xiàn)

為了使學生在使用該系統(tǒng)的同時無需接觸了解ANSYS軟件，系統(tǒng)采用完全封裝的方法設計，即只需要用戶點擊本軟件的界面選項，不需要在ANSYS軟件中作任何操作，其實現(xiàn)方法簡介如下。

2.1 VB與ANSYS接口程序

VB調用ANSYS的方法有很多種，本文采用的是shell的方式。相關的調用程序為:

其中XXX.txt為載入的文件，即在VB 中形成的可由ANSYS調用的參數(shù)化命令流文件。

2.2 判斷ANSYS計算過程結束

判斷ANSYS計算結束的標志可以利用判斷ANSYS是否生成了err文件，但這種方法不能夠精確地判斷ANSYS 結束的時間。本軟件采用的方法是在ANSYS計算完成以后，通過ANSYS生成一個文本文件，用VB 程序來判斷此文件是否生成的方法判斷ANSYS計算是否結束。相關的APDL語言為:

此段命令流最后生成，是利用ANSYS生成一個名為end.txt文件，如果這個文件形成，則ANSYS計算完成。

2.3 查看結果

利用ANSYS后處理模塊把應力圖和變形圖等結果報告及相關數(shù)據(jù)放入結果文件夾，在VB 中采用load的方法調用這些圖片和結果報告，就可以在VB界面中方便地查看ANSYS計算結果。

3 利用材料力學概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)加強對基本概念的直觀認識

3.1 數(shù)值實驗增強對基本概念的理解

材料力學概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)包括了材料力學中大多數(shù)重要的基本概念。在教學中，學生剛接觸材料力學課程，還不能在頭腦中形成直觀的概念，因此對課程內容難以理解。材料力學概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)提供了直觀、方便的輸入方式和比較完善的結果顯示窗口，可使學生對材料力學概念有一個較全面的感性認識。以材料力學中圣維南原理為例，圣維南原理表明:分布于彈性體上一小塊面積（或體積）內的載荷所引起的物體中的應力，在離載荷作用區(qū)稍遠的地方，基本上只與載荷的合力或合力矩有關。這個概念就不太容易理解，而在分析系統(tǒng)中，我們只要選擇圣維南原理這個模塊，輸入簡單的材料參數(shù)和力的參數(shù)就可以迅速得到結果，輸入界面如圖2所示。力的加載方式分別為第1塊板為一個集中力，第2塊板為把集中力分為等效的2個力，第3塊板為等效的均布力。通過對比3塊矩形板中應力分布發(fā)現(xiàn):雖然受力方式不同，只要等效力一致，就可以在離受力端稍遠的位置產(chǎn)生相同的應力，如圖3所示。這種圖像對比可以給學生直觀、形象的解釋，使這個概念更加容易被學生接受。又例如，應力在梁截面上的分布規(guī)律，書上只給了一些計算結論，而使用系統(tǒng)中集中力作用下梁的受力分析這個模塊，選擇相應的梁截面，計算出結果后，只要點擊梁截面應力分布這個按鈕就可以很方便地查看梁截面的應力分布，如圖4（以矩形梁為例）所示。通過梁截面的應力云圖顯示，可以讓學生在感官上理解應力在梁截面上的分布情況。在材料力學教學中出現(xiàn)的概念問題基本都可以使用本系統(tǒng)對概念形象化描述，使力學知識更加易于讓學生接受，加深了學生對這些概念的理解。

圖2 圣維南原理的輸入界面

圖3 圣維南原理的應力云圖

圖4 矩形截面梁應力分布

3.2 數(shù)值實驗應用實例

目前該系統(tǒng)可以對多種基本問題進行模擬分析，如矩形截面、圓截面、圓環(huán)截面、工字型截面、回型截面、T 型截面、L型截面、槽型截面和Z 型截面梁進行形心加載和彎心加載分析，支座可以是懸臂梁或簡支梁；系統(tǒng)還包括應力集中分析、圣維南原理分析、熱膨脹分析、純扭轉分析以及圓形截面、圓環(huán)截面和方形截面壓桿的軸壓穩(wěn)定性分析。圖1（b）顯示了目前該軟件的主要功能。這里以“應力集中分析”簡介軟件的使用過程為例介紹使用步驟。

第1步:雙擊軟件運行進入如圖1的主界面，在用戶名一欄填入“Stress Concentration”；在選擇ANSYS安裝盤符一欄選擇ANSYS所安裝的盤符；在ANSYS的版本信息一欄選擇ANSYS的版本號；點擊“確定”。

第2步:選擇“分析類型”中的“應力集中分析”，進入應力集中分析界面，在欄內填入數(shù)據(jù)（如圖5所示），然后點擊“生成命令流文件”；再點擊“調用ANSYS計算”，ANSYS計算完畢后會彈出“計算完畢”窗口。

圖5 應力集中分析輸入界面

第3步:點擊“查看模型圖”、“查看變形圖”及“查看應力圖”，最后可點擊“生成報告”。報告中包括數(shù)據(jù)的基本信息（如圖6 所示）、模型圖、應力云圖和應變圖，應力云圖如圖7所示。

圖6 應力集中數(shù)據(jù)的基本信息

第4步:可以改變圖5中輸入界面的參數(shù)，重新計算，分析主要參數(shù)對應力集中的影響。

圖7 應力云圖

4 結束語

材料力學概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)提供了一種基于VB調用ANSYS來解決材料力學中基礎問題的方法，編制了友好的交互界面，并實現(xiàn)參數(shù)化輸入和結果輸出，在材料力學的教學中增加了學生的直觀認識。雖然對基本概念的模擬與仿真表示的功能還在不斷增加中，但系統(tǒng)框架、實現(xiàn)方式、學生試用等工作都已開展。通過使用本仿真平臺，使學生不僅對材料力學基本概念有更加直觀形象的理解，同時可以激發(fā)學生的學習興趣，更加快速和牢固地掌握材料力學的基本知識。

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