劉曉慧

【摘要】工程力學(xué)是機械類及近機械類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。對于高職學(xué)生來說，工程力學(xué)概念抽象，公式深奧，學(xué)習困難，缺乏積極性。此外，工程力學(xué)教學(xué)時數(shù)減少，學(xué)生綜合素質(zhì)下降。如何在有限的課時內(nèi)達到預(yù)定的教學(xué)效果，是每個工程力學(xué)教師面臨的一大難題。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，仿真軟件越來越豐富。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，自動生成云圖和動畫，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)省了課堂時間，提高了學(xué)習效率，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

計算機輔助工程CAE（Computer Aided Engineering），指用計算機輔助求解分析復(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、講解習題等。工程力學(xué)概念多且枯燥，公式多、計算多。重理論輕實踐的教學(xué)方法使學(xué)生缺乏學(xué)習興趣，造成學(xué)習困難、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

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，無法理解。通過ANSYS workbench軟件中的邊界條件設(shè)置來說明約束的概念及約束反力。

工程力學(xué)的研究對象以梁、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、邊或面上約束所有的自由度，對于殼或梁，限制x，y和Z方向的平移和轉(zhuǎn)動，對應(yīng)的就是靜力學(xué)中的固定端約束。約束桿移動需要施加力，由于桿移動的方向不確定，所以約束反力方向未定，可用一對正交力表示，正交力的方向假設(shè)。約束桿轉(zhuǎn)動需要施加力偶，即約束反力偶，力偶矩的轉(zhuǎn)向假設(shè)。軟件中Simply support（簡支約束），可施加在梁的邊或頂點上，限制平移，但是所有旋轉(zhuǎn)都是自由的，相當于靜力學(xué)中的光滑圓柱約束。Displacement（位移約束），在頂點、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)仿真動畫顯示變形、位移結(jié)果，進一步闡明各約束及約束反力的特點。

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，均通過實驗觀察其變形，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)力的計算公式。公式推導(dǎo)過程既繁瑣、又枯燥，大部分學(xué)生均無法接受。

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畫，而且動畫可以循環(huán)播放，這有助于更加清楚的反映變形特點。

利用軟件可進一步仿真橫截面上的應(yīng)力類型、應(yīng)力分布特點，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＝孛嫔想x中心軸越遠，正應(yīng)力的值越大，在中性軸兩側(cè)各點的正應(yīng)力一正一負，表示一側(cè)受拉，一側(cè)受壓，截面上下邊緣各點正應(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的正應(yīng)力分布，該直線上各點的正應(yīng)力由最上點的124.36MPa變化到最小點的-124.36MPa，呈線性分布，該直線與中性軸的交點處應(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、桿的長度、桿截面的形狀和尺寸等，進一步分析這些參數(shù)對壓桿臨界力的影響。軟件可以計算同一壓桿在不同約束條件下的臨界力。比較表明，桿兩端的約束對壓桿的臨界力有影響。約束越強，臨界力越大。

如果壓桿截面形狀不同，則壓桿材料、兩端約束、壓桿長度和截面面積相同。通過仿真計算了壓桿的臨界力，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

實際工程中的力學(xué)問題非常復(fù)雜，學(xué)生通常無從下手。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沿矩形偏的那側(cè)彎曲失穩(wěn)。因此計算臨界力時，慣性矩的計算公式應(yīng)為 ，而不是 （b為矩形截面的寬度，h為截面的高度），同時告知學(xué)生這類壓桿的截面應(yīng)盡量做成對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)生可以加深對工程力學(xué)課程和許多抽象概念的理解。通過實際研究得出以下結(jié)論。（1）通過軟件仿真，實現(xiàn)了鏜削機械概念的可視化。由于軟件操作的方便，各種云圖片和動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)生對教材知識的理解，彌補理論和實驗教學(xué)的不足，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，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，故應(yīng)將其作為輔助而不是指導(dǎo)。

參考文獻：

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