劉 斌（山東大學外國語學院，濟南 250100）

ANSYS軟件在材料力學課程輔助教學中的應用

劉 斌
（山東大學外國語學院，濟南 250100）

ANSYS軟件是由美國著名的ANSYS軟件公司，所研制開發(fā)的一款大型的CAE仿真分析軟件，它由于具有強大的網(wǎng)格處理能力、高精度非線性問題求解能力以及豐富的數(shù)據(jù)單元庫，因此被廣泛應用各類工程領域與力學課程的輔助教學當中。本文結(jié)合實際教學經(jīng)驗，從ANSYS軟件在材料力學教學中的優(yōu)勢出發(fā)，并就其在實際輔助教學中的應用進行了探索與研究。

ANSYS軟件；材料力學；輔助教學；應用

1 材料力學的教學現(xiàn)狀

很多學生反映，材料力學課程理論難懂、習題難解，是他們在大學期間接觸到的既抽象、枯燥又難以理解的課程。而且，由于教學計劃的調(diào)整，大多數(shù)專業(yè)的材料力學課程教學學時數(shù)也常常被壓縮。因此，如何在有效的教學時間內(nèi)，以充分調(diào)動起學生的學習興趣與學習熱情，是當前材料力學課程教學改革與優(yōu)化的重點課題。

目前，利用計算機信息化輔助材料力學的課程教學以取得了較好的成效，以ANSYS軟件為例，不僅能將抽象化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生動形象的圖形加以顯示，從而加深學生對知識點的理解與掌握，降低學生的學習難度，而且能開拓學生的視野，培養(yǎng)學生理論與實際相結(jié)合的應用能力?？梢哉f，ANSYS軟件在課程輔助教學中的成功應用，對于促進整個材料力學課程的改革與完善都有著重要的意義。

2 ANSYS軟件在材料力學教學中的優(yōu)勢

目前，ANSYS軟件在材料力學課程輔助教學中的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1 提高教學效果

材料力學是集合了材料類、力學類、機械類以及建筑類等專業(yè)于一體的重要專業(yè)基礎課程。教學的主要任務是研究材料構(gòu)件在外力條件下的變形、破壞及失效等規(guī)律，以及相應計算表達式。然而由于材料力學課程內(nèi)容中所涉及到的數(shù)學公式偏多，邏輯推理嚴密，且計算多以微積分方程式出現(xiàn)，計算量較大，許多理論數(shù)據(jù)都具有很強的理論性和抽象性，以上因素都導致在教學過程中學生對所學知識點難以有效掌握和理解，教師的教學難度偏大。

ANSYS軟件由于其所具有的形象、快捷的建模功能以及圖形顯示功能，可以將抽象化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生動形象的圖形加以顯示，從而加深學生對知識點的理解與掌握，降低學生的學習難度。同時，利用ANSYS軟件的動畫形式，不僅能形象展示材料的結(jié)構(gòu)變形情況、位移情況以及應力分布情況，而且還能展示出材料結(jié)構(gòu)從最初加載到最后形變的整個過程，從而使得原本難以理解的知識點變得淺顯易懂，以此啟發(fā)學生充分理解材料力學的相關(guān)基礎理論和概念的實質(zhì)含義，并有效激發(fā)出學生對材料力學課程的學習興趣與學習熱情，進而實現(xiàn)良好的教學效果。

2.2 培養(yǎng)學生的實際應用能力

在實際教學過程中，很多學生學習較為吃力，對教材內(nèi)容不易理解，課后習題更難求解，導致學生對材料力學學習存在著較強的畏懼心理。而這些現(xiàn)象的產(chǎn)生，多是由于在學習中沒有充分理解材料力學的基本概念，沒有抓住材料力學基本方程的實質(zhì)含義和各物理量間的關(guān)系，再加上對數(shù)學知識的遺忘等原因造成的。

而通過ANSYS軟件在材料力學課程教學中的有效應用，它作為目前通用的一款大型CAE仿真分析軟件，由于其強大的網(wǎng)格處理能力、非線性問題求解能力以及圖形顯示能力，都使得在教學過程中不僅能強化學生對基礎知識點的學習與掌握，而且還能有效加深學生對實際工程背景的理解，以拓展學生的視野，培養(yǎng)學生理論與實際相結(jié)合的應用能力。

3 ANSYS軟件在材料力學課程輔助教學中的實踐應用

本文以圓環(huán)應力集中現(xiàn)象為例，分析了ANSYS軟件在材料力學課程中的實踐應用。材料結(jié)構(gòu)的應力集中現(xiàn)象，作為實際工程中常見的一種力學現(xiàn)象，也是課程教學中的一個重難點問題。許多學生在學習過程中，對于材料結(jié)構(gòu)的應力集中現(xiàn)象只有一個較為模糊的認識，而對于結(jié)構(gòu)應力集中程度與結(jié)構(gòu)形狀之間的關(guān)系，以及影響應力集中的因素并不能理解透徹，導致無法將理論知識與實際應用相結(jié)合。

而利用ANSYS軟件，則能夠?qū)⒏鞣N材料結(jié)構(gòu)的應力集中現(xiàn)象進行模擬與再現(xiàn)，并用直觀、形象的圖形展現(xiàn)出現(xiàn)，這都有利于學生對相關(guān)知識點的理解與掌握。例如：有一內(nèi)徑與外徑分別為0.1m和0.2m的圓環(huán)，在圓環(huán)沿直徑方向作用力下出現(xiàn)1mm的壓縮量，已知圓環(huán)材料的彈性模量為2GPa，則可通過ANSYS軟件來計算圓環(huán)的應力集中程度。

圖1 水平方向正應力

圖2 豎直方向正應力

圖3 水平面剪切應力

圖4 第一主應力

圖5 第三主應力

圖6 Mises應力

在上圖1～圖6中，分別顯示了圓環(huán)的水平方向正應力、豎直方向正應力、水平面剪切應力、第一主應力、第三主應力以及Mises應力的分布云圖。從圖中可以看出，以上每個應力分布云圖中都存在較為嚴重的應力集中現(xiàn)象，這也與課程中的相關(guān)較為內(nèi)容非常接近。利用這種直觀的圖形展示，可以讓學生非常容易理解材料的應力集中的概念，以及應力集中程度好結(jié)構(gòu)形狀之間的關(guān)系。這樣不僅能有效避免傳統(tǒng)教學中相關(guān)知識點抽象、難以理解的不足，以加深對所學知識點的理解與掌握，而且可以很好的培養(yǎng)學生開拓性思維，以及對相關(guān)知識點的分析應用能力與創(chuàng)新能力。

4 總結(jié)

本文從ANSYS軟件在材料力學教學中的優(yōu)勢出發(fā)，并就其在教學中的實踐應用進行了探索與研究。在材料力學課程的實際教學過程中，通過對ANSYS軟件的有效利用，可以充分應用該軟件在數(shù)據(jù)計算以及直觀顯示上的優(yōu)勢，使材料力學的課程與軟件的仿真分析技術(shù)相充分結(jié)合，以加深學生對相關(guān)知識點的掌握與理解，提高學生的學習興趣與學習熱情，進而實現(xiàn)課程教學質(zhì)量的提升，值得在材料力學課程中大力普及與應用。

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[2]葉勇.淺談ANSYS軟件與《材料力學》課程教學的有機結(jié)合[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2009（20）.

[3]刑靜忠.ANSYS7.0分析實例與工程應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[4]博弈創(chuàng)作室.ANSYS9.0經(jīng)典產(chǎn)品基礎教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社,2014.

劉斌（1982-），男，山東濟南人，本科，助理實驗師，軟件工程，ANSYS軟件在材料力學課程輔助教學中的應用。