廖丹，袁嚴(yán)輝，鄭茂溪

[摘 要] 針對(duì)目前材料力學(xué)課程學(xué)時(shí)限制無(wú)法匹配實(shí)驗(yàn)課程的現(xiàn)狀，根據(jù)數(shù)值模擬的優(yōu)勢(shì)，提出將數(shù)值模擬引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，幫助學(xué)生掌握新的技能，以期提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān) 鍵 詞] 材料力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；soildworks

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）10-0073-01

一、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程現(xiàn)狀

材料力學(xué)是機(jī)械專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，在機(jī)械設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)上具有十分重要的位置。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是材料力學(xué)學(xué)習(xí)中非常重要的一環(huán)。目前很多學(xué)校對(duì)材料力學(xué)的課時(shí)數(shù)一再地進(jìn)行刪減，從最初的96學(xué)時(shí)減為78、56，甚至48學(xué)時(shí)。這就導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課時(shí)的縮減，甚至取消實(shí)驗(yàn)課程。為了在有限的時(shí)間里，讓學(xué)生更加快速清楚地理解材料力學(xué)的基本原理和基本現(xiàn)象，將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程改為數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)課程，利用數(shù)值模擬的時(shí)效性和直觀性，讓學(xué)生更快更好地掌握知識(shí)。

二、solidworks simulation 模塊

solidworks simulation源于FEA（有限元）軟件COSMOSWorks，simulation模塊將仿真流程無(wú)縫融入了機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程。有限元法是目前應(yīng)用較為廣泛的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。利用將工程結(jié)構(gòu)離散成各個(gè)小單元，對(duì)每一個(gè)單元假定一個(gè)近似解，通過(guò)求導(dǎo)求解整個(gè)計(jì)算域的條件，從而得到最終解[1]。有限元計(jì)算不僅計(jì)算精度高、操作界面友好，而且能針對(duì)各種復(fù)雜形狀。solidworks simulation相較于其他有限元軟件具有操作簡(jiǎn)單易上手的特點(diǎn)，便于本科生學(xué)習(xí)。

三、實(shí)驗(yàn)實(shí)例

材料力學(xué)課程最大的特點(diǎn)是概念多、公式多、理解難，特別是應(yīng)力分布、各項(xiàng)應(yīng)力狀態(tài)部分。為了滿足應(yīng)用型人才的需求，材料力學(xué)需要改革課程，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和掌握基本理論。

梁彎曲變形實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)至關(guān)重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?，F(xiàn)以數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定該矩形截面梁在純彎曲變形中橫截面正應(yīng)力的分布情況。通過(guò)solidworks simulation進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到各點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并與材料力學(xué)公式б=■計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較[2]。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，梁的尺寸為10 mm×20 mm×100 mm，材料為合金鋼。

進(jìn)行有限元分析，首先根據(jù)梁的尺寸在solidworks中建立三維模型，然后進(jìn)入simulation仿真模塊。再根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行約束條件的設(shè)定及載荷的添加，然后運(yùn)行此算例，得到各點(diǎn)正應(yīng)力的數(shù)值模擬解，如圖2所示。從圖中可以看出在該截面，各點(diǎn)正應(yīng)力呈近似線性變化。

在材料力學(xué)理論課上講解的應(yīng)力分布規(guī)律，對(duì)學(xué)生而言很難理解，但利用數(shù)值模擬仿真，可以很直觀地看到梁截面上各點(diǎn)應(yīng)力的分布。如圖3所示，可以看到縱向截面上正應(yīng)力分布云圖，從云圖顏色的變化可以直觀清楚地看到各點(diǎn)正應(yīng)力的大小。從圖中可以看出中性軸上方被壓縮，受壓應(yīng)力最大值為143.5MPa；中性軸下方被拉伸，受拉應(yīng)力最大值為143.5MPa；越靠近中性軸，應(yīng)力越小。這個(gè)應(yīng)力分布趨勢(shì)跟材料力學(xué)課程理論分析結(jié)果一致，但卻能更加清楚直觀地體現(xiàn)。

四、結(jié)論

本文通過(guò)利用solidworks simulation模塊模擬梁的彎曲變形，形象直觀地展現(xiàn)了材料力學(xué)中彎曲變形正應(yīng)力計(jì)算公式的含義及中性軸等抽象概念。學(xué)生可以更好地理解，也提高了學(xué)習(xí)興趣，為以后進(jìn)一步進(jìn)行工程實(shí)際問(wèn)題分析打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅永華.有限元分析基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

[2]顧曉勤，譚朝陽(yáng).材料力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.