董敏

ANSYS軟件在材料力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

董敏

（山東華宇工學(xué)院 能源與建筑工程學(xué)院，山東 德州 253034）

材料力學(xué)是工科專業(yè)的一門(mén)必修專業(yè)基礎(chǔ)課，在專業(yè)課與基礎(chǔ)課之間起到橋梁的作用。在材料力學(xué)課程講授中，理論性較強(qiáng)，推導(dǎo)公式復(fù)雜，學(xué)生對(duì)于抽象的概念比較難理解。文章借助ANSYS軟件將材料力學(xué)抽象知識(shí)具體化、形象化，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)對(duì)教師的科研能力起到了一定的促進(jìn)作用。

材料力學(xué)；ANSYS軟件；應(yīng)力；內(nèi)力圖

引言

材料力學(xué)是研究材料在各種外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定和導(dǎo)致各種材料破壞的極限。它是固體力學(xué)的一個(gè)分支，其主要任務(wù)是將工程結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件，在保證其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的前提下，以最經(jīng)濟(jì)為代價(jià)，選擇合適的材料，并確定合理的截面形狀和尺寸[1]。材料力學(xué)課程主要介紹構(gòu)件的軸向拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲四種基本變形形式，知識(shí)點(diǎn)較多，理論性較強(qiáng)，且公式推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜。有限元技術(shù)是一種結(jié)合力學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多學(xué)科的一種新型的科學(xué)技術(shù)，在科學(xué)研究領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用，其通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等方法[2]，可以將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)借助于圖形或者圖表的方式直觀地展示給用戶。通常在工程應(yīng)用中需要借助于有限元工具ANSYS計(jì)算出結(jié)構(gòu)或者材料的應(yīng)力、應(yīng)變、能量等變化規(guī)律，這和材料力學(xué)的研究?jī)?nèi)容不謀而合。將ANSYS軟件的應(yīng)用融合到材料力學(xué)課程的教學(xué)中將是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)[3]。

材料力學(xué)傳統(tǒng)的授課方式以純理論教學(xué)為主，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性差，興趣不高，因此，將ANSYS軟件與材料力學(xué)課程相結(jié)合新型授課方式與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，既具有挑戰(zhàn)性又具有必然性，通過(guò)用此教學(xué)方式不但可以拓寬學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生對(duì)材料力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)基本理論知識(shí)的理解，同時(shí)還可以提高學(xué)生利用ANSYS軟件來(lái)解決實(shí)際工程問(wèn)題能力。

1 圣維南原理

桿件發(fā)生軸向拉壓變形時(shí)，外力引起內(nèi)力，而內(nèi)力不能用來(lái)判斷桿件是否容易發(fā)生破壞，需要通過(guò)應(yīng)力來(lái)衡量。軸向拉壓變形橫截面上的應(yīng)力分布規(guī)律和計(jì)算公式通過(guò)平面假設(shè)推導(dǎo)得到：應(yīng)力均勻分布。但此分布規(guī)律有一定的適用條件，即構(gòu)件所受外力必須為均布力，如果更換為集中力，橫截面上的應(yīng)力將不再均勻分布。對(duì)于兩種不同受力情況下的應(yīng)力分布規(guī)律，比較抽象，學(xué)生不能通過(guò)想象來(lái)理解，因此需要借助ANSYS仿真軟件，將兩種不同受力方式下的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行計(jì)算并輸入分布云圖，讓學(xué)生通過(guò)觀察對(duì)比分布云圖來(lái)理解應(yīng)力分布規(guī)律的變化，最終得到圣維南原理。利用ANSYS軟件計(jì)算結(jié)果，讓抽象內(nèi)容具體化，讓學(xué)生更容易理解與記憶，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖1 力作用方式不同產(chǎn)生的影響

2 應(yīng)力集中

對(duì)于軸向拉壓變形在平面假設(shè)成立的前提下，得到其橫截面上的應(yīng)力均勻分布，但工程構(gòu)件不可避免地會(huì)開(kāi)孔或開(kāi)槽，讓構(gòu)件的局部尺寸發(fā)生突變，那在尺寸發(fā)生突變處，應(yīng)力會(huì)急劇增加[4]，產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)于應(yīng)力急劇增加的現(xiàn)象，借助ANSYS軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行講解，通過(guò)觀察計(jì)算云圖應(yīng)力分布規(guī)律，讓學(xué)生了解應(yīng)力集中的概念，以及尺寸突變處應(yīng)力的分布規(guī)律。

圖2 采用有限元計(jì)算了帶有圓孔的平板的應(yīng)力

3 內(nèi)力圖繪制

ANSYS軟件主要是通過(guò)建立幾何模型，設(shè)置邊界條件，最終繪制出構(gòu)件的內(nèi)力圖，求解構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度問(wèn)題，這與材料力學(xué)的基本任務(wù)是不謀而合的，所有利用ANSYS軟件可以更快速、便捷的求解出構(gòu)件的應(yīng)力和變形，而省去了我們?nèi)肆M(jìn)行手算的時(shí)間，省時(shí)、省力。為了進(jìn)一步驗(yàn)證ANSYS軟件與材料力學(xué)所授理論的一致性，在彎曲變形講授彎曲內(nèi)力圖繪制的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，會(huì)讓學(xué)生利用所學(xué)的理論知識(shí)繪制出內(nèi)力圖，并與ANSYS軟件繪制出的內(nèi)力圖進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者結(jié)果完全一致。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了理論與軟件的一致性，增加學(xué)生對(duì)軟件的興趣，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

圖3 內(nèi)力圖繪制

圖4 ANSYS軟件邊界條件設(shè)置

圖5 ANSYS軟件內(nèi)力圖繪制

4 剪切應(yīng)力分布

剪切變形是材料力學(xué)研究的四種基本變形之一，它主要發(fā)生在連接件之間，起到傳遞力或力矩的作用，主要發(fā)生在螺栓、健、鉚釘?shù)冗B接件上。由于連接件尺寸較小，所以工程中對(duì)其正常工作時(shí)的應(yīng)力分布規(guī)律并沒(méi)有進(jìn)行深入研究，但在理論教學(xué)中需要對(duì)其應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了解。因此，構(gòu)件發(fā)生剪切變形時(shí)，其橫截面上應(yīng)力的分布規(guī)律就可以通過(guò)ANSYS軟件計(jì)算得到，讓學(xué)生了解剪切變形應(yīng)力分布規(guī)律，并對(duì)應(yīng)力分布規(guī)律的原因進(jìn)行進(jìn)一步探索，進(jìn)一步提高了課堂的挑戰(zhàn)性。

圖6 鉚釘應(yīng)力分布規(guī)律

在材料力學(xué)課程中利用ANSYS軟件進(jìn)行教學(xué)，將先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念引進(jìn)課堂教學(xué)中，能使學(xué)生掌握專業(yè)軟件和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，拓寬知識(shí)面，加強(qiáng)教學(xué)與工程應(yīng)用之間的有機(jī)結(jié)合。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，學(xué)生可以根據(jù)課堂內(nèi)所學(xué)的基礎(chǔ)理論建立材料力學(xué)模型，根據(jù)具體問(wèn)題選擇合理的計(jì)算模型，提升學(xué)生的獨(dú)立思考能力。引入工程實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題能力。學(xué)生能夠?qū)處熖岢龅膶?shí)際工程問(wèn)題，利用ANSYS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行定性判斷。利用所學(xué)理論知識(shí)與軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)和科學(xué)研究工作的能力。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，在課程初期確定一個(gè)與自己研究方向相關(guān)的模擬題目，然后帶著問(wèn)題進(jìn)行課程學(xué)習(xí)，進(jìn)一步明確學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。利用ANSYS軟件進(jìn)行教學(xué)的過(guò)程中，不僅可以讓學(xué)生了解和學(xué)習(xí)軟件，同時(shí)也提升教師的科研能力和社會(huì)服務(wù)能力，老師深入開(kāi)展仿真模擬軟件環(huán)境下的課堂教學(xué)模式研究，加強(qiáng)了學(xué)科整合力量，提高了科學(xué)研究水平，與實(shí)際工程相結(jié)合，提高了為企業(yè)服務(wù)的能力。

5 總結(jié)

（1）固有課程與模擬軟件有機(jī)結(jié)合。將材料力學(xué)中抽象、復(fù)雜和難懂的物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，運(yùn)用ANSYS軟件模擬構(gòu)件在受力時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，并轉(zhuǎn)換為生動(dòng)的圖形、圖像及動(dòng)畫(huà)，有助于提高學(xué)生的形象思維能力，幫助學(xué)生理解和掌握抽象的理論知識(shí)，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。

（2）理論知識(shí)與實(shí)際工程有機(jī)結(jié)合。將課堂所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際工程相結(jié)合，針對(duì)具體的工程問(wèn)題，運(yùn)用ANSYS軟件，依據(jù)工程實(shí)際對(duì)求解模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后利用材料力學(xué)的理論對(duì)模型進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，最后求解，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際工程中應(yīng)用軟件的能力。

（3）軟件與理論教學(xué)相結(jié)合的新型授課模式的成功應(yīng)用，將很好地促進(jìn)相應(yīng)課程的教學(xué)改革。在教學(xué)過(guò)程中，利用ANSYS軟件不僅可以采用直觀的圖形顯示，也可以將抽象的概念形象化，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識(shí)。通過(guò)與模擬軟件結(jié)合進(jìn)行授課，有助于學(xué)生運(yùn)用軟件進(jìn)行實(shí)際工程案例分析，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，在一定程度上可以使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，為以后的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 李艷潔,趙東,趙秀麗,等.ANSYS軟件在“材料力學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)林業(yè)教育,2009,27(S1):44-46.

[2] 張志紅.ANSYS軟件在材料力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè),2017(01):127-128.

[3] 劉斌.ANSYS軟件在材料力學(xué)課程輔助教學(xué)中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù),2015(16):198-199.

[4] 劉鴻文.材料力學(xué)(上冊(cè))[M].北京:高等教育出版社,2016.

Application of ANSYS Software in Material Mechanics Teaching

DONG Min

( Shandong Huayu University of technology, School of Energy and Building Engineering, Shandong Dezhou 253034 )

Mechanics of materials is a compulsory basic course for engineering majors, which acts as a bridge between the specialized courses and the basic courses. In the teaching of mechanics of materials, the theory is strong and the formulas are complicated, it is difficult for students to understand the abstract concept. In this paper, the abstract knowledge of material mechanics is concretized and visualized by means of ANSYS software, which improves students'learning enthusiasm and trains students'ability to solve practical engineering problems, at the same time, it plays a certain role in promoting the scientific research ability of teachers.

Material mechanics; ANSYS software; Stress; Internal force diagram

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.051

G642.0

A

1671-7988(2021)21-191-03

G642.0

A

1671-7988(2021)21-191-03

董敏（1986—），講師，就職于山東華宇工學(xué)院，從事《材料力學(xué)》《理論力學(xué)》課程教學(xué)。

ANSYS軟件在材料力學(xué)教學(xué)改革中的實(shí)踐，基金編號(hào)：2019JG22；山東華宇工學(xué)院校級(jí)一流課程：《材料力學(xué)》。