有限元分析軟件在結構損傷修理課中的應用

趙培仲等

摘要：有限元分析軟件在工程實踐中得到了廣泛的應用。結構損傷修理課作為一門為學生后續的工程實踐奠定基礎的理論課程，授課過程中，特別是在修理設計部分會涉及較多的理論推導和計算。為了使理論授課內容更加直觀形象，便于學生理解接受，同時增加趣味性，激發學生學習熱情，筆者討論了在損傷修理課中有限元分析軟件的應用問題。

關鍵詞：有限元；損傷結構；教學內容；教學效果

中圖分類號：G40-057 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2015）11-0122-02

有限元分析已經在各工程領域得到了成功的應用，特別是一些大型的商業有限元分析軟件面市后，在工程領域的應用更是不斷增加。在實際工程應用和科學研究中，有限元分析軟件已經成為一個重要的工具。[1]借助現代先進的計算機系統，有限元分析軟件具有強大的計算和圖形功能，可以將結構在載荷作用下的應力場用應力云圖直觀、形象地表現出來。[2]這些直觀形象的圖，使得原來只是理論推導的公式和數字變得更加容易被學生理解接受。[3-6]同時，如果將有限元在實際工程或科研中的應用實例和課堂教學有機結合起來，原本讓學生感覺枯燥的理論講解就會變得真實生動，進而激發他們的學習興趣和熱情，提升課堂教學效率，改善課堂教學效果。結構損傷修理課是為后續工程實踐打基礎的理論課，其中涉及較多的理論計算分析，特別是修理設計部分，因此，本文主要討論借助有限元分析的強大功能，力圖使抽象的內容具體化、形象化，使學生更容易理解掌握理論知識。

在損傷修理設計中的應用

修理設計是在損傷評估的基礎上，通過計算分析等手段確定修理方法、修理形式以及材料選用的過程。采用復合材料粘接修理金屬損傷結構是一種新的結構損傷修理方法。在修理設計中往往會涉及一些理論計算和公式的推導，如果僅僅靠教師的語言講解分析和推導過程，容易使學生感到枯燥。而利用有限元的數值分析和圖形顯示功能，則可以非常直觀形象地說明問題，便于學生接受。

比如，在粘接修理中通常包括單面粘接和雙面粘接兩種修理形式（如圖1）。單面粘接由于結構不對稱，導致偏心載荷，引起彎矩。雙面粘接由于對稱性，則不會產生偏心彎矩。通過受力分析，學生也能明白不對稱帶來的偏心彎矩問題。但是，他們難以意識到偏心可能帶來的結構的影響。利用有限元分析軟件則可以使學生非常容易明白，單面粘接對修理的不利影響（如圖2），并且會有深刻的印象。基于此，教師可告訴學生，在有條件進行雙面粘接修理的時候，盡量采取雙面粘接修理，使他們清楚設計中的一些原則。

在選材中的應用

在修理設計的教學中，一個重要的部分是選材問題。修理形式和修理材料的選擇往往是相互關聯的。我們仍然以粘接修理為例來說明。

對于膠黏劑材料的選擇也可以通過有限元分析進行講解。在粘接修理中，膠黏劑是將補片和損傷結構連接起來的關鍵部分。它的用量較少，但膠黏劑層的作用卻是非常關鍵的，其應力分布情況對修理后結構有非常重要的影響。膠黏劑自身的力學性能將會直接影響到膠黏劑層的應力分布情況。可具體應力怎么分布，膠黏劑的性能對應力分布又會產生什么影響，教師很難通過口頭的講解使學生建立起明確的概念。而借助有限元分析軟件，則可以調整膠黏劑材料的力學性能參數，進而分析相應的應力分布情況。通過不同的應力云圖的對比，學生可以非常直觀地看到膠黏劑層應力的分布情況，也就可以明白膠黏劑層的關鍵作用。

借助有限元分析軟件還可以就補片的幾何形狀、補片的力學性能等其他一些問題進行講解。同樣的道理，有了直觀形象的圖，而且通過參數的設置還能夠將應力的變化規律展示給學生，學生理解掌握起來就會很容易。同時，還會激發他們學習的熱情和興趣。

結論

在結構損傷修理課中，借助有限元分析軟件，利用應力云圖，能直觀形象地展示理論內容，激發學生的興趣和學習熱情。同時，改變設計參數，比較不同的設計可能的應力分布，能使學生明白設計的重要性，并且掌握原則規律。有限元分析軟件在課堂中的運用使抽象內容變得直觀，增強了教學效果，同時也進一步豐富了教學手段和方法。

參考文獻：

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