新教改下ANSYS軟件在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐

李戰(zhàn)廠，黃國(guó)鋒，白洪波，尹輯文

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)生的一門(mén)科學(xué)實(shí)驗(yàn)課程,也是一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修實(shí)驗(yàn)課，不僅應(yīng)讓學(xué)生接受?chē)?yán)格的、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練,掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)、方法和技巧,更主要的是要培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維能力和創(chuàng)新精神,培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力,特別是與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力,以適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求[1].然而,有些物理實(shí)驗(yàn)很抽象，可視化、直觀性不強(qiáng)，如大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中有關(guān)溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)、電場(chǎng)的實(shí)驗(yàn).在高等教育新教學(xué)改革的大背景下,如何有效改進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),提高學(xué)生整體科學(xué)素養(yǎng)以適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)快速發(fā)展和大學(xué)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)變，一直是大學(xué)物理教師熱衷探討的問(wèn)題.例如在實(shí)驗(yàn)中，在知識(shí)傳授為背景的傳統(tǒng)教學(xué)思想支配下,學(xué)生只是重復(fù)實(shí)驗(yàn)講義上的實(shí)驗(yàn)步驟,從儀器裝置、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、數(shù)據(jù)處理都有現(xiàn)成的步驟.實(shí)驗(yàn)結(jié)束，也沒(méi)有自己的思考和深刻的認(rèn)識(shí).

本文試圖將有限元法軟件ANSYS引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中,并以教學(xué)設(shè)計(jì)為切入點(diǎn),結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn),運(yùn)用有限元軟件ANSYS并結(jié)合自己在大學(xué)物理教學(xué)的經(jīng)驗(yàn),研究有限元法在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的意義.有限元法是當(dāng)今數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛最為成熟的一種計(jì)算方法,其最大的優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)、精度高[2].隨著有限元理論基礎(chǔ)的日益完善,出現(xiàn)了很多通用和專(zhuān)用的有限元計(jì)算軟件.其最大的優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)、精度高.隨著有限元理論基礎(chǔ)的日益完善,出現(xiàn)了很多通用和專(zhuān)用的有限元計(jì)算軟件.國(guó)際上大型的有限元分析程序主要有ANSYS,NASTRAN,ASKA,ADINA,SAP等.在眾多可用的通用和專(zhuān)用有限元軟件中,ANSYS是最為通用有效的商用有跟元軟件之一,在多次用戶(hù)調(diào)查中,ANSYS都名列前茅[3].它不但成功解決了結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題，還越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于傳熱傳質(zhì)、流體動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱學(xué)、高壓物理、電磁學(xué)和聲學(xué)等領(lǐng)域[4-6].由于溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、電磁場(chǎng)等物理場(chǎng)無(wú)法直接觀察，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法雖然能測(cè)得某一點(diǎn)或一條線的數(shù)值，但是很難直接觀察和研究物理場(chǎng)、電磁場(chǎng)與電場(chǎng)的分布，因此大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在如電磁場(chǎng)描繪、電場(chǎng)描繪等實(shí)驗(yàn)有著直觀性不佳，學(xué)生做完試驗(yàn)后認(rèn)識(shí)不清.借助有限元分析軟件ANSYS可模擬出大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電場(chǎng)的物理場(chǎng)的分布，以圖形化和視頻方式顯示其分布及其計(jì)算結(jié)果，得到富有感染力的二維或三維圖形及視頻圖像.實(shí)踐表明，利用ANSYS實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理中溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)、電場(chǎng)等物理場(chǎng)的可視化設(shè)計(jì)，不僅有利于學(xué)生掌握理論知識(shí)，還對(duì)學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)需求，提高自身的能力和素質(zhì)有著重要的意義.

2 ansys軟件在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用實(shí)例

2.1 CPU散熱器溫度場(chǎng)分布

圖1（a）所示為CPU（中央處理器）散熱器的幾何模型.上方CPU尺寸為20mm×20mm×7.5mm；中間為同隔熱器，尺寸為45mm×45mm×2.5mm；下方為鋁散熱器，長(zhǎng)度和寬度均為45mm，厚度為40mm：冷卻葉片的長(zhǎng)為45mm，寬為5mm，厚度為30mm.在模型里，CPU放置在銅隔熱器上，該隔熱器放置在鋁制散熱器上.CPU產(chǎn)生熱量，功率為20W，溫度約150℃，而且系統(tǒng)接收附近部件的輻射能，所有部件依靠與熱空氣進(jìn)行自由對(duì)流來(lái)冷卻.由于溫度更高，需要考慮隨溫度變化的材料特性和載荷.在ANSYS中，采用PLANE77熱分析單元對(duì)CPU散熱器進(jìn)行文促散熱分析.圖1（b）為CPU散熱器溫度場(chǎng)分布云圖，由ANSYS仿真結(jié)果可以看到，銅隔熱器中心溫度較高，兩端溫度較低.散熱器中心葉片的溫度比外側(cè)的高，葉片上的溫度離CPU越遠(yuǎn)溫度越低.這些和實(shí)驗(yàn)測(cè)溫結(jié)果一直，實(shí)驗(yàn)只能測(cè)幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度，而ANSYS仿真可以顯示出溫度場(chǎng)的分布，并且更直觀.

圖1 CPU散熱器溫度場(chǎng)分布云圖

2.2 靜電球在空氣中電場(chǎng)分布

在空氣中,一半徑為R=1mm的帶電球,電壓為Q=1000V,放置空氣中.用ANSYS軟件中電磁模塊可獲得電場(chǎng)強(qiáng)度的分布圖,如圖2所示為帶電球在空氣中電場(chǎng)分布，從圖中可以看到帶電球的電場(chǎng)離球面越遠(yuǎn)，電場(chǎng)越弱，并且電場(chǎng)矢量的密度、顏色及方向均與用實(shí)驗(yàn)法測(cè)的場(chǎng)強(qiáng)相一致,并且圖形更直觀.并且從仿真結(jié)果中矢量的顏色可看出電場(chǎng)強(qiáng)的地方與磁場(chǎng)弱地方.

圖2 靜電球的電場(chǎng)分布

2.3 圓柱形永磁體在空氣中磁場(chǎng)分布

把一個(gè)永磁體金屬球放置在空氣中，利用ANSYS軟件中電磁模塊可以獲得永磁體的磁場(chǎng)線.對(duì)于永磁材料，為了改善精度，利用剩磁感應(yīng)密度(Br)和Hc來(lái)計(jì)算磁導(dǎo)率.Br與Hc的關(guān)系為

式中，相對(duì)磁導(dǎo)率μr,矯頑磁力Hc.由ANSYS仿真結(jié)果圖3為永磁體在空氣中磁場(chǎng)線分布，從圖中可以直觀地看到,磁場(chǎng)在永磁體球中最強(qiáng).在空氣中，磁場(chǎng)離永磁場(chǎng)越近越強(qiáng)，并且磁力線是閉合曲線，并且從仿真結(jié)果中矢量的顏色可看出磁場(chǎng)最強(qiáng)的地方與最弱的地方.

圖3 永磁體在空氣中磁場(chǎng)分布

4 結(jié)論

根據(jù)我們對(duì)ANSYS有限元分析軟件的應(yīng)用和探討,認(rèn)為其物理場(chǎng)分析功能性能優(yōu)良,可用來(lái)求解不同情況下的溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、對(duì)流場(chǎng)、電磁場(chǎng)等物理問(wèn)題.用有限元軟件ansys在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為實(shí)驗(yàn)開(kāi)辟一條新途徑.它與普通的實(shí)驗(yàn)相比有著以下三個(gè)方面的特色：（1）真實(shí)性.可以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2D或3D建模，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行完整模擬;（2）交互性.學(xué)生能對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并得到相應(yīng)的反饋.用有限元軟件ansys在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)使得實(shí)驗(yàn)更逼真、更為人性化;（3）形象性和直觀性.ANSYS軟件強(qiáng)大的運(yùn)算能力能分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)量關(guān)系，最后用直觀的曲線、圖形及視頻的多樣形式將實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出來(lái).因此,在新教改下ANSYS軟件應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是一個(gè)創(chuàng)新,其良好的物理場(chǎng)分析功能可以對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有很好的輔助作用.利用ANSYS實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理中物理場(chǎng)的可視化設(shè)計(jì)，不僅有利于學(xué)生掌握理論知識(shí)，還對(duì)學(xué)生適應(yīng)社會(huì)需求，提高自身的能力和素質(zhì)起到不可估量的作用.

〔1〕王延宗,黃睿.淺談如何提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[J].科技資訊,2007(35):115-116.

〔2〕郝治國(guó)，余洋，張保會(huì)，程臨燕，曹瑞峰，丁茂生，張軍.高壓直流輸電單極大地方式運(yùn)行時(shí)地表電位分布規(guī)律[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29(6):10-14.

〔3〕李志剛,邵長(zhǎng)金,唐煉.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中有限元軟件ANSYS求解電場(chǎng)問(wèn)題的應(yīng)用[J].長(zhǎng)春師范學(xué)院學(xué)報(bào),2004,23(10):33-36.

〔4〕雷玉成,郁雯霞,李彩輝,等.GMAW溫度場(chǎng)計(jì)算及其焊接質(zhì)量的特征建模[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,26(3):253-256.

〔5〕Li ZhanChang,Jia HongSheng,Ma HongAn,Guo Wei,LIU XiaoBing, Huang GuoFeng, Li Rui, Jia XiaoPeng*,FEM analysis on the effect of cobalt content on thermal residual stress in polycrystalline diamond compact(PDC),SCIENCE CHINA Physics,Mechanics&Astronomy,2012,55(4):639-643.

〔6〕Li ZhanChang,Jia XiaoPeng,Huang GuoFeng,Hu MeiHua,Li Yong,Yan BingMin,Ma HongAn*,FEM Simulation and Experimental Studies on the Temperature Field in the Cell of Large Diamond Crystal Growth，Chinese Physics B,2013,22(1):014701.