關(guān)善超

(1. 蘇州市陽山實驗初級中學(xué)校，江蘇 蘇州 215151; 2. 陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710119)

橋梁的研究是人教版高中物理必修1的課題研究內(nèi)容.該問題的選取既鞏固了剛剛學(xué)完的牛頓運動定律,又不局限于課本,緊密聯(lián)系生活實際,充分鍛煉學(xué)生分析解決問題的能力,很具有發(fā)散性和探究價值．但是,由于探究所需材料需要大量采購(如木板,膠水等),探究所需時間也相對較長,尤其是學(xué)生最終設(shè)計結(jié)果也難以有效判斷優(yōu)劣,因此,該課題開展面臨很多困難,未起到預(yù)期的教學(xué)效果．近年來,隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,計算機模擬解決物理教學(xué)中的問題也逐漸被大家所重視,并且很好地解決了一些以往常規(guī)試驗難以解決的問題．[1-2]計算機仿真模擬過程清晰,結(jié)果準(zhǔn)確且生動形象,同樣適用于中學(xué)物理教學(xué),可以極大地激發(fā)了學(xué)生的探究欲望和學(xué)科興趣,起到很好的教學(xué)效果.[3]本文運用Ansys軟件對學(xué)生設(shè)計的不同結(jié)構(gòu)橋梁進行數(shù)值模擬,可以直接得到不同橋梁的形變及橋梁各部位的應(yīng)力大小,清晰地選出設(shè)計的最優(yōu)方案,并且根據(jù)模擬結(jié)果給出合理的改進建議．[4]既節(jié)約實驗成本,又節(jié)省課堂時間,同時讓學(xué)生參與橋梁的設(shè)計和改進過程,對于培養(yǎng)科學(xué)思維品質(zhì)和發(fā)現(xiàn)解決問題能力有重要的意義．

1 橋梁草圖設(shè)計

設(shè)計要求:如圖1所示,兩橋墩間跨度為30 cm,橋面總長40 cm,即左右兩端各有5 cm和橋墩接觸,承重最好的設(shè)計勝出．

提供材料:厚度為3 mm的木板,502膠水．

學(xué)生小組合作,根據(jù)設(shè)計要求和所給材料在紙上進行設(shè)計．

圖1 設(shè)計示意圖

2 數(shù)值模擬過程

首先在Ansys Preferences中,選擇Structural結(jié)構(gòu)分析模塊．

2.1 添加所需單元

進入Element Type來添加模擬所需單元,本次模擬只需添加結(jié)構(gòu)單元Solid 183即可．

2.2 設(shè)置材料屬性

進入Material Props來設(shè)置材料屬性．根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析,只需設(shè)置材料的楊氏模量和泊松比．在Iostropic中輸入木頭的楊氏模量EX=1.1×1010,泊松比PRXY=0.33．

2.3 建立模型

進入Modeling,根據(jù)學(xué)生設(shè)計的橋梁進行建模．這里取梁式橋、斜拉橋、桁架橋3種典型設(shè)計進行建模,最終3種模型如圖2所示．

圖2 3種橋梁建模

2.4 網(wǎng)格劃分

進入Meshing,選擇Meshing Tool網(wǎng)格劃分工具,然后定義網(wǎng)格邊界為1 mm,進行三角網(wǎng)格自由劃分．

2.5 定義分析類型

進入Analysis Type,該模擬應(yīng)選擇Static靜力學(xué)分析．

2.6 施加邊界條件

根據(jù)設(shè)計要求,在Define Loads中,約束左右兩端5 cm的橋面位移自由度為0,即無法移動．然后在橋面中間施加大小為50 N垂直于橋面向下的力．

2.7 進行求解計算

進入Solution模塊,選擇Solve→Current LS進行求解計算．

3 模擬結(jié)果分析

進入General Postproc后處理器,使用Plot Results畫出3種橋梁在相同大小壓力下的形變云圖(圖3)．

圖3 形變云圖

由形變云圖可知3種橋的形變情況及最大形變出現(xiàn)在何位置．梁式橋、斜拉橋和桁架橋的最大形變量分別為0.29×10-3m、0.6×10-5m和0.16×10-5m．可以清楚得到桁架橋在這3種設(shè)計中變形最小,最具優(yōu)勢．

然后畫出3種橋?qū)?yīng)的等效應(yīng)力云圖(圖4)．

由應(yīng)力云圖可知3種橋的應(yīng)力分布情況及最大應(yīng)力出現(xiàn)在何位置．梁式橋、斜拉橋和桁架橋的最大應(yīng)力分別為1.4×107Pa、3.2×105Pa和4.5×104Pa．一般普通木板承受的最大剪應(yīng)力約為1.7×108Pa,3種設(shè)計均能承受50 N的壓力,但模擬結(jié)果可得桁架橋應(yīng)力分布最均勻,承重效果最好．

模擬總結(jié)及改進建議:梁式橋結(jié)構(gòu)最為簡單,耗材最少成本低,適用于承重量不大的小橋設(shè)計．斜拉橋承重量相對較好,拉繩角度和位置對承重有很大影響,同學(xué)們的設(shè)計造成應(yīng)力集中在橋梁中部,會造成中部易斷,因此可以考慮加強中部結(jié)構(gòu)強度．桁架橋承重最好,應(yīng)力分布相對均勻,形變最小,是本次設(shè)計的最優(yōu)方案．

圖4 應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

運用Ansys模擬來進行人教版高中物理必修1中課題研究是非常具有創(chuàng)意且便于實施的新思路．同學(xué)們通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)既鞏固完善了所學(xué)知識,明確了各種設(shè)計的優(yōu)缺點,又了解了橋梁設(shè)計中的真實過程——數(shù)值模擬靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析．運用現(xiàn)代教學(xué)手段進行教學(xué),極大地提高了學(xué)生的學(xué)科興趣,激發(fā)了學(xué)習(xí)動力,開拓了學(xué)生視野,明確了學(xué)習(xí)方向,培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)問題提出問題解決問題的能力,對全面提高學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)有十分重要的意義．