ANSYS軟件在材料力學(xué)課程輔助教學(xué)中的應(yīng)用

劉 斌（山東大學(xué)外國語學(xué)院，濟(jì)南 250100）

ANSYS軟件在材料力學(xué)課程輔助教學(xué)中的應(yīng)用

劉 斌
（山東大學(xué)外國語學(xué)院，濟(jì)南 250100）

ANSYS軟件是由美國著名的ANSYS軟件公司，所研制開發(fā)的一款大型的CAE仿真分析軟件，它由于具有強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力、高精度非線性問題求解能力以及豐富的數(shù)據(jù)單元庫，因此被廣泛應(yīng)用各類工程領(lǐng)域與力學(xué)課程的輔助教學(xué)當(dāng)中。本文結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從ANSYS軟件在材料力學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢出發(fā)，并就其在實(shí)際輔助教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索與研究。

ANSYS軟件；材料力學(xué)；輔助教學(xué)；應(yīng)用

1 材料力學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀

很多學(xué)生反映，材料力學(xué)課程理論難懂、習(xí)題難解，是他們?cè)诖髮W(xué)期間接觸到的既抽象、枯燥又難以理解的課程。而且，由于教學(xué)計(jì)劃的調(diào)整，大多數(shù)專業(yè)的材料力學(xué)課程教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)也常常被壓縮。因此，如何在有效的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，以充分調(diào)動(dòng)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)熱情，是當(dāng)前材料力學(xué)課程教學(xué)改革與優(yōu)化的重點(diǎn)課題。

目前，利用計(jì)算機(jī)信息化輔助材料力學(xué)的課程教學(xué)以取得了較好的成效，以ANSYS軟件為例，不僅能將抽象化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生動(dòng)形象的圖形加以顯示，從而加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，而且能開拓學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)際相結(jié)合的應(yīng)用能力。可以說，ANSYS軟件在課程輔助教學(xué)中的成功應(yīng)用，對(duì)于促進(jìn)整個(gè)材料力學(xué)課程的改革與完善都有著重要的意義。

2 ANSYS軟件在材料力學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢

目前，ANSYS軟件在材料力學(xué)課程輔助教學(xué)中的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 提高教學(xué)效果

材料力學(xué)是集合了材料類、力學(xué)類、機(jī)械類以及建筑類等專業(yè)于一體的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。教學(xué)的主要任務(wù)是研究材料構(gòu)件在外力條件下的變形、破壞及失效等規(guī)律，以及相應(yīng)計(jì)算表達(dá)式。然而由于材料力學(xué)課程內(nèi)容中所涉及到的數(shù)學(xué)公式偏多，邏輯推理嚴(yán)密，且計(jì)算多以微積分方程式出現(xiàn)，計(jì)算量較大，許多理論數(shù)據(jù)都具有很強(qiáng)的理論性和抽象性，以上因素都導(dǎo)致在教學(xué)過程中學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)難以有效掌握和理解，教師的教學(xué)難度偏大。

ANSYS軟件由于其所具有的形象、快捷的建模功能以及圖形顯示功能，可以將抽象化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生動(dòng)形象的圖形加以顯示，從而加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。同時(shí)，利用ANSYS軟件的動(dòng)畫形式，不僅能形象展示材料的結(jié)構(gòu)變形情況、位移情況以及應(yīng)力分布情況，而且還能展示出材料結(jié)構(gòu)從最初加載到最后形變的整個(gè)過程，從而使得原本難以理解的知識(shí)點(diǎn)變得淺顯易懂，以此啟發(fā)學(xué)生充分理解材料力學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)理論和概念的實(shí)質(zhì)含義，并有效激發(fā)出學(xué)生對(duì)材料力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的教學(xué)效果。

2.2 培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力

在實(shí)際教學(xué)過程中，很多學(xué)生學(xué)習(xí)較為吃力，對(duì)教材內(nèi)容不易理解，課后習(xí)題更難求解，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)材料力學(xué)學(xué)習(xí)存在著較強(qiáng)的畏懼心理。而這些現(xiàn)象的產(chǎn)生，多是由于在學(xué)習(xí)中沒有充分理解材料力學(xué)的基本概念，沒有抓住材料力學(xué)基本方程的實(shí)質(zhì)含義和各物理量間的關(guān)系，再加上對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的遺忘等原因造成的。

而通過ANSYS軟件在材料力學(xué)課程教學(xué)中的有效應(yīng)用，它作為目前通用的一款大型CAE仿真分析軟件，由于其強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力、非線性問題求解能力以及圖形顯示能力，都使得在教學(xué)過程中不僅能強(qiáng)化學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)與掌握，而且還能有效加深學(xué)生對(duì)實(shí)際工程背景的理解，以拓展學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)際相結(jié)合的應(yīng)用能力。

3 ANSYS軟件在材料力學(xué)課程輔助教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用

本文以圓環(huán)應(yīng)力集中現(xiàn)象為例，分析了ANSYS軟件在材料力學(xué)課程中的實(shí)踐應(yīng)用。材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，作為實(shí)際工程中常見的一種力學(xué)現(xiàn)象，也是課程教學(xué)中的一個(gè)重難點(diǎn)問題。許多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，對(duì)于材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象只有一個(gè)較為模糊的認(rèn)識(shí)，而對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中程度與結(jié)構(gòu)形狀之間的關(guān)系，以及影響應(yīng)力集中的因素并不能理解透徹，導(dǎo)致無法將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。

而利用ANSYS軟件，則能夠?qū)⒏鞣N材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行模擬與再現(xiàn)，并用直觀、形象的圖形展現(xiàn)出現(xiàn)，這都有利于學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握。例如：有一內(nèi)徑與外徑分別為0.1m和0.2m的圓環(huán)，在圓環(huán)沿直徑方向作用力下出現(xiàn)1mm的壓縮量，已知圓環(huán)材料的彈性模量為2GPa，則可通過ANSYS軟件來計(jì)算圓環(huán)的應(yīng)力集中程度。

圖1 水平方向正應(yīng)力

圖2 豎直方向正應(yīng)力

圖3 水平面剪切應(yīng)力

圖4 第一主應(yīng)力

圖5 第三主應(yīng)力

圖6 Mises應(yīng)力

在上圖1～圖6中，分別顯示了圓環(huán)的水平方向正應(yīng)力、豎直方向正應(yīng)力、水平面剪切應(yīng)力、第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力以及Mises應(yīng)力的分布云圖。從圖中可以看出，以上每個(gè)應(yīng)力分布云圖中都存在較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這也與課程中的相關(guān)較為內(nèi)容非常接近。利用這種直觀的圖形展示，可以讓學(xué)生非常容易理解材料的應(yīng)力集中的概念，以及應(yīng)力集中程度好結(jié)構(gòu)形狀之間的關(guān)系。這樣不僅能有效避免傳統(tǒng)教學(xué)中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)抽象、難以理解的不足，以加深對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解與掌握，而且可以很好的培養(yǎng)學(xué)生開拓性思維，以及對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的分析應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力。

4 總結(jié)

本文從ANSYS軟件在材料力學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢出發(fā)，并就其在教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行了探索與研究。在材料力學(xué)課程的實(shí)際教學(xué)過程中，通過對(duì)ANSYS軟件的有效利用，可以充分應(yīng)用該軟件在數(shù)據(jù)計(jì)算以及直觀顯示上的優(yōu)勢，使材料力學(xué)的課程與軟件的仿真分析技術(shù)相充分結(jié)合，以加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握與理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)質(zhì)量的提升，值得在材料力學(xué)課程中大力普及與應(yīng)用。

[1]何琳.淺談材料力學(xué)課程的教學(xué)改革與完善的探索[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2012（06）.

[2]葉勇.淺談ANSYS軟件與《材料力學(xué)》課程教學(xué)的有機(jī)結(jié)合[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009（20）.

[3]刑靜忠.ANSYS7.0分析實(shí)例與工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[4]博弈創(chuàng)作室.ANSYS9.0經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京：中國水利水電出版社,2014.

劉斌（1982-），男，山東濟(jì)南人，本科，助理實(shí)驗(yàn)師，軟件工程，ANSYS軟件在材料力學(xué)課程輔助教學(xué)中的應(yīng)用。