ANSYS仿真分析在《CAE技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：本文介紹了一種《CAE技術(shù)》課程全程機(jī)房上課的教學(xué)模式，將ANSYS軟件作為載體，設(shè)計(jì)了深入淺出、引出式的案例教學(xué)，逐層遞進(jìn)的教學(xué)重點(diǎn)，在取得了良好教學(xué)效果同時(shí)也看到了自身不足，為下步工作做好鋪墊。

關(guān)鍵詞：CAE技術(shù)；ANSYS；教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）35-0096-02

CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段，它最終的目的是還原一個(gè)實(shí)際工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)行為特征。通過建立物理模型的仿真數(shù)據(jù)，最終求解出復(fù)雜工程和產(chǎn)品的合適的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等，是現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)必需的手段之一。為了給本科生提供一個(gè)學(xué)習(xí)分析軟件的平臺(tái)，本學(xué)期在我系機(jī)制和汽服專業(yè)中開設(shè)《CAE技術(shù)》選修課程，提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，課程中使用的CAE軟件為ANSYS。

一、以工程實(shí)例為依據(jù)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

CAE技術(shù)的核心是結(jié)構(gòu)離散化，理論基礎(chǔ)是有限單元法。即將實(shí)際結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)目的簡單單元的組合，用這些單元的集合來模擬或逼近原來的實(shí)際結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對離散體的分析，得出滿足工程精度且接近實(shí)際結(jié)構(gòu)的近似結(jié)果。對于民辦學(xué)校機(jī)械類專業(yè)的本科生來說，彈性力學(xué)根本沒接觸過，力學(xué)的基礎(chǔ)也僅限于工程力學(xué)（理論力學(xué)和材料力學(xué)），對于《CAE技術(shù)》這門課程也有些望而生畏，為了激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，探索將復(fù)雜枯燥的應(yīng)用軟件與材料力學(xué)中的桿梁結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，從簡單的桿梁結(jié)構(gòu)出發(fā)，求得理論求解結(jié)果后，將之與軟件的求解結(jié)果相對應(yīng)，理解CAE軟件精確的計(jì)算能力。

1.平面桁架對比分析。一平面桁架架構(gòu)如圖1.1所示，此結(jié)構(gòu)中所有構(gòu)件均為二力桿，受到頂點(diǎn)處F（2KN）大小的集中力后，各桿的軸向內(nèi)力分別為：桿①、④-■KN，桿②、⑤1KN，桿③不受力；軸向應(yīng)力則為內(nèi)力與橫截面積的比值：桿①、④-10■Mpa，桿②、⑤10Mpa，桿③無軸向內(nèi)力。將此平面桁架在ANSYS中建好模型求解之后的軸向力和軸向應(yīng)力如圖1.2所示（圖中FA為軸向力，單位為N，SA為軸向應(yīng)力，單位為Pa）。由圖可知，用軟件的求解結(jié)果和計(jì)算結(jié)果一致，則說明用ANSYS軟件分析桿系結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)精確求解結(jié)果。

2.矩形截面懸臂梁對比分析。由懸臂梁的彎曲分析可得，端部受到F大小的集中力后此梁的最大變形為yB，由材料力學(xué)可知：yB=-■帶入已知的數(shù)據(jù)（彈性模量為 2.1×105Mpa）后可得最大的變形值為28.896mm，如圖1.3所示，兩次的求解結(jié)果仍然一致。

由上述兩個(gè)例子中可以得出，用ANSYS軟件可以對桿、梁問題進(jìn)行精確分析，驗(yàn)證問題的同時(shí)，省卻了手工計(jì)算的繁雜和不確定性，激發(fā)了學(xué)生的求知欲。由此可以延伸到其他相對簡單的工程問題是否一致，如何一致。探索結(jié)果，激發(fā)興趣。

二、以機(jī)械應(yīng)用為目標(biāo)，選取教學(xué)重點(diǎn)

針對獨(dú)立學(xué)院學(xué)生特點(diǎn)，將教學(xué)重點(diǎn)放在有限元思想的建立、有限元方法的運(yùn)用和平面、簡單三維問題的求解上。使學(xué)生深刻理解“有限元方法是廣泛應(yīng)用于解決應(yīng)力分析、傳熱學(xué)、電磁學(xué)以及流體力學(xué)等工程問題數(shù)值方法”的含義。首先通過桿系、簡支梁等簡單結(jié)構(gòu)問題的分析求解，使同學(xué)們基本掌握有限元分析問題的方法。同時(shí)舉一反三，至少能夠達(dá)到對所有簡支梁問題進(jìn)行準(zhǔn)確求解的能力。其次通過簡單零件、復(fù)雜形狀實(shí)體、復(fù)雜模型的創(chuàng)建等模型創(chuàng)建的課題的設(shè)計(jì)，使同學(xué)們初步掌握ANSYS“自底向上”和“自頂向下”兩種建模方法，能到達(dá)到用ANSYS軟件建立簡單模型的能力。再次設(shè)計(jì)梁結(jié)構(gòu)、連續(xù)體的靜力學(xué)分析算例；設(shè)計(jì)模態(tài)分析、振動(dòng)分析的算例；設(shè)計(jì)諧響應(yīng)分析、受迫振動(dòng)、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析算例等，使同學(xué)們能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械與結(jié)構(gòu)分析的入門。最后進(jìn)行拓展練習(xí)，設(shè)計(jì)接觸、疲勞、穩(wěn)定性、碰撞、優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的分析算例，使他們能掌握ANSYS中更復(fù)雜的計(jì)算方法。

三、以現(xiàn)有資源為基礎(chǔ)，側(cè)重上機(jī)實(shí)踐

ANSYS有限元分析軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。針對民辦高校應(yīng)用型本科生的特點(diǎn)，對有限元的基礎(chǔ)理論只做簡單介紹，重點(diǎn)側(cè)重上機(jī)實(shí)踐。為了使學(xué)生能直觀地接受CAE軟件，本課程申請了全程機(jī)房教學(xué)。通過直接的上機(jī)實(shí)踐，加深對三個(gè)模塊的理解；通過對各個(gè)案例的上機(jī)實(shí)踐，提高對ANSYS軟件的應(yīng)用能力。

四、以目前困境為出發(fā)點(diǎn)，注重下步工作

由于CAE分析軟件在工業(yè)界的影響越來越大，ANSYS軟件在高校教學(xué)中的應(yīng)用是非常必要的。我院正是看到了這一點(diǎn)，積極在民辦高校中推廣此軟件的使用，能在教學(xué)中體現(xiàn)CAD/CAE/CAM設(shè)計(jì)、分析、制造三位一體的培養(yǎng)模式。經(jīng)過09級(jí)、10級(jí)兩屆學(xué)生的實(shí)踐，《CAE技術(shù)》課程已基本形成一套比較成熟的教學(xué)方案，此門選修課也深受同學(xué)們歡迎，選課率達(dá)到80%以上。但在教學(xué)過程中也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處，由于有限元方法的理論基礎(chǔ)相對深?yuàn)W，課堂教學(xué)則主要從材料力學(xué)著手引入有限元的離散思想，所以在后期分析階段的效果不是很理想。基于以上兩方面的特點(diǎn)，下步規(guī)劃編制適合自己學(xué)院學(xué)生的上機(jī)指導(dǎo)教程。

基金項(xiàng)目：上海市民辦高校骨干教師科研資助項(xiàng)目

作者簡介：程志青（1982-），女，山西人，碩士，講師，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。