劉曉慧

【摘要】工程力學(xué)是機(jī)械類及近機(jī)械類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。對(duì)于高職學(xué)生來(lái)說(shuō)，工程力學(xué)概念抽象，公式深?yuàn)W，學(xué)習(xí)困難，缺乏積極性。此外，工程力學(xué)教學(xué)時(shí)數(shù)減少，學(xué)生綜合素質(zhì)下降。如何在有限的課時(shí)內(nèi)達(dá)到預(yù)定的教學(xué)效果，是每個(gè)工程力學(xué)教師面臨的一大難題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真軟件越來(lái)越豐富。ANSYS是利用workbench有限元分析軟件輔助工程力學(xué)教學(xué)，有效地幫助學(xué)生理解課程中抽象的概念，自動(dòng)生成云圖和動(dòng)畫，顯示構(gòu)件受力后的變形和應(yīng)力分布情況，定性分析了應(yīng)力應(yīng)變的影響因素，省去了繁瑣的公式推導(dǎo)，節(jié)省了課堂時(shí)間，提高了學(xué)習(xí)效率，取得了良好的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】CAE仿真技術(shù);工程力學(xué);教學(xué)應(yīng)用

1、CAE仿真軟件概述

計(jì)算機(jī)輔助工程CAE（Computer Aided Engineering），指用計(jì)算機(jī)輔助求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等。ANSYS workbench軟件是由美國(guó)著名的ANSYS公司研發(fā)的大型CAE仿真軟件，通過該軟件，將CAD模型構(gòu)造成有限元網(wǎng)格模型，再施加載荷和邊界條件后，運(yùn)行求解即可得到分析結(jié)果。

2、ANSYS workbench軟件仿真在工程力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

工程力學(xué)包括靜力學(xué)和材料力學(xué)兩部分，傳統(tǒng)的教學(xué)方法是教師在課堂上講解基本概念、推導(dǎo)公式、講解習(xí)題等。工程力學(xué)概念多且枯燥，公式多、計(jì)算多。重理論輕實(shí)踐的教學(xué)方法使學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，造成學(xué)習(xí)困難、分析解決問題的能力差。采用仿真技術(shù)輔助工程力學(xué)教學(xué)，可以從以下方面入手。

2.1利用仿真將抽象的概念可視化，引導(dǎo)學(xué)生深入理解理論知識(shí)

工程力學(xué)中有些概念很抽象，如靜力學(xué)中約束的概念往往使學(xué)生很頭疼，無(wú)法理解。通過ANSYS workbench軟件中的邊界條件設(shè)置來(lái)說(shuō)明約束的概念及約束反力。

工程力學(xué)的研究對(duì)象以梁、桿為主，梁桿約束以鉸支和固支居多。有限元軟件中的Fixed Support（固定約束），在頂點(diǎn)、邊或面上約束所有的自由度，對(duì)于殼或梁，限制x，y和Z方向的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)的就是靜力學(xué)中的固定端約束。約束桿移動(dòng)需要施加力，由于桿移動(dòng)的方向不確定，所以約束反力方向未定，可用一對(duì)正交力表示，正交力的方向假設(shè)。約束桿轉(zhuǎn)動(dòng)需要施加力偶，即約束反力偶，力偶矩的轉(zhuǎn)向假設(shè)。軟件中Simply support（簡(jiǎn)支約束），可施加在梁的邊或頂點(diǎn)上，限制平移，但是所有旋轉(zhuǎn)都是自由的，相當(dāng)于靜力學(xué)中的光滑圓柱約束。Displacement（位移約束），在頂點(diǎn)、邊或面上約定已知的位移，輸入“0”代表此方向上已被約束，即位移為零的方向必有一約束反力，對(duì)應(yīng)光滑接觸面約束。邊界條件及載荷設(shè)置后，經(jīng)仿真動(dòng)畫顯示變形、位移結(jié)果，進(jìn)一步闡明各約束及約束反力的特點(diǎn)。

2.2利用仿真將力學(xué)問題形象化，幫助學(xué)生掌握桿件變形特點(diǎn)及應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律

以往講解扭轉(zhuǎn)軸橫截面上的應(yīng)力及純彎曲梁橫截面上的正應(yīng)力時(shí)，均通過實(shí)驗(yàn)觀察其變形，研究變形幾何關(guān)系，再由應(yīng)變規(guī)律得出應(yīng)力的分布規(guī)律，最后根據(jù)靜力關(guān)系推導(dǎo)出應(yīng)力的計(jì)算公式。公式推導(dǎo)過程既繁瑣、又枯燥，大部分學(xué)生均無(wú)法接受。

采用仿真技術(shù)，通過軟件仿真各種變形，軟件可以直接生成動(dòng)畫，而且動(dòng)畫可以循環(huán)播放，這有助于更加清楚的反映變形特點(diǎn)。

利用軟件可進(jìn)一步仿真橫截面上的應(yīng)力類型、應(yīng)力分布特點(diǎn)，純彎曲梁橫截面上正應(yīng)力（Normal）的分布，圖中很清楚地顯示了截面中性軸處正應(yīng)力最?。ń咏悖?。截面上離中心軸越遠(yuǎn)，正應(yīng)力的值越大，在中性軸兩側(cè)各點(diǎn)的正應(yīng)力一正一負(fù)，表示一側(cè)受拉，一側(cè)受壓，截面上下邊緣各點(diǎn)正應(yīng)力值最大。ANSYS workbench軟件還能直接給出橫截面上垂直于中性軸由上向下一直線上各點(diǎn)的正應(yīng)力分布，該直線上各點(diǎn)的正應(yīng)力由最上點(diǎn)的124.36MPa變化到最小點(diǎn)的-124.36MPa，呈線性分布，該直線與中性軸的交點(diǎn)處應(yīng)力為零。有了這樣的仿真結(jié)果，在教學(xué)中直接給出純彎曲梁橫截面上的正應(yīng)力計(jì)算公式，略去了復(fù)雜公式的推導(dǎo)，形象直觀，學(xué)生更易接受。同樣可仿真扭轉(zhuǎn)軸的變形及扭轉(zhuǎn)軸橫截面上的剪應(yīng)力分布。

2.3利用仿真軟件定性分析力學(xué)問題，引導(dǎo)學(xué)生分析應(yīng)力應(yīng)變的影響因素

工程力學(xué)中中壓桿的臨界力概念比較抽象，學(xué)生對(duì)臨界力的影響因素及如何影響還不清楚。通過軟件模擬，可以定性地解釋影響壓桿臨界力的主要因素有：桿兩端的約束、桿的長(zhǎng)度、桿截面的形狀和尺寸等，進(jìn)一步分析這些參數(shù)對(duì)壓桿臨界力的影響。軟件可以計(jì)算同一壓桿在不同約束條件下的臨界力。比較表明，桿兩端的約束對(duì)壓桿的臨界力有影響。約束越強(qiáng)，臨界力越大。

如果壓桿截面形狀不同，則壓桿材料、兩端約束、壓桿長(zhǎng)度和截面面積相同。通過仿真計(jì)算了壓桿的臨界力，結(jié)果表明：截面形狀不同，壓桿的臨界力不同。因此，指導(dǎo)學(xué)生掌握歐拉公式。

2.4利用仿真軟件解答疑難問題

實(shí)際工程中的力學(xué)問題非常復(fù)雜，學(xué)生通常無(wú)從下手。借助軟件仿真，可以幫助學(xué)生解決復(fù)雜的力學(xué)問題。如對(duì)于兩端鉸支的壓桿，其橫截面為矩形，現(xiàn)求此壓桿的臨界力。

通過軟件仿真觀察到該壓桿會(huì)沿矩形偏的那側(cè)彎曲失穩(wěn)。因此計(jì)算臨界力時(shí)，慣性矩的計(jì)算公式應(yīng)為 ，而不是 （b為矩形截面的寬度，h為截面的高度），同時(shí)告知學(xué)生這類壓桿的截面應(yīng)盡量做成對(duì)各截面形心軸慣心矩相近或相等的形狀，如正方形、圓形等。

結(jié)論：

以上是仿真軟件在工程力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐。將ANSYS workbench仿真軟件引入工程力學(xué)教學(xué)，是教學(xué)方法的一種創(chuàng)新。借助于模擬，學(xué)生可以加深對(duì)工程力學(xué)課程和許多抽象概念的理解。通過實(shí)際研究得出以下結(jié)論。（1）通過軟件仿真，實(shí)現(xiàn)了鏜削機(jī)械概念的可視化。由于軟件操作的方便，各種云圖片和動(dòng)畫都可以通過軟件直接生成。這些結(jié)果可以直接應(yīng)用于課堂教學(xué)，也可以嵌入到多媒體課件中，極大地豐富了教學(xué)資源。（2）借助有限元模擬，省去了復(fù)雜力學(xué)公式的推導(dǎo)，有效地節(jié)省了課堂時(shí)間。（3）有限元仿真軟件在教學(xué)中的輔助應(yīng)用，可以加深學(xué)生對(duì)教材知識(shí)的理解，彌補(bǔ)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。（4）有限元仿真技術(shù)依賴于力學(xué)等學(xué)科的理論和實(shí)踐。在高職高專工程力學(xué)教學(xué)中，由于有限元理論需要大量的數(shù)學(xué)、物理、力學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)，故應(yīng)將其作為輔助而不是指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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