基于C#、Python語言和MSC.Marc在直梁純彎曲教學(xué)中的應(yīng)用

【摘要】針對機械工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)直梁彎曲過程中遇到的理解難點問題，基于Python語言和MSC.Marc軟件編制了直梁尺寸、單元劃分和載荷施加的參數(shù)化程序，再借助C#強大的編程和調(diào)用能力啟動Marc及該程序，自動提交和運算完成后，學(xué)生可以提取多種直觀計算結(jié)果，為學(xué)生加深理解直梁彎曲變形理論提供了參數(shù)化和可視化計算工具。

【關(guān)鍵詞】Python Marc 材料力學(xué) 教學(xué)

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）12-0016-01

前言

直梁類零部件受載荷而發(fā)生變形的情況在實際工程中很常見，例如，橋梁在自重和車輛作用下會發(fā)生變形、鋼架結(jié)構(gòu)房屋的型材骨架在屋頂重力和自然風載等條件下也會發(fā)生變形。作為一名本科生，應(yīng)當首先熟練掌握直梁彎曲變形的規(guī)律，以便今后在工程實踐中能安全設(shè)計滿足條件的梁的結(jié)構(gòu)[1]？鄄[2]。梁的彎曲變形章節(jié)內(nèi)容較多，如何在推導(dǎo)理論模型前就建立對梁的彎曲變形的建立直觀和感性的認識是學(xué)好本章的基礎(chǔ)。隨著商業(yè)有限元的日益成熟和計算機硬件技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究借助它進行靈活的前處理，使模擬過程更接近實際工況，得到了內(nèi)容豐富和可視化程度高的結(jié)果[3]？鄄[6]。本文借助Python與MSC.Marc有限元軟件良好的交互性編制直梁參數(shù)化建模、劃分網(wǎng)格、加載和提交運算的程序，然后基于C#編制操作界面，計算完成之后自動讀取結(jié)果以便學(xué)生觀察直梁的變形過程，從而達到加深理解的目的。

1.Python語言和Marc交互參數(shù)化建模

Python編程語言是一種解釋性、交互式和面向?qū)ο蟮墓δ軓姶蟮木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端腳本語言，與其它腳本語言一樣，Python代碼類似于偽代碼，同時還是一種交互式、可移植、易于學(xué)習(xí)、方便使用的嚴謹語言，它提供動態(tài)語義和快速的原型開發(fā)能力，適合用作連接已有組件的粘合語言。同時它可用于獨立的程序，也可用于腳本程序。

為了讓學(xué)生直觀認識大跨度梁和小跨度梁的彎曲形態(tài)，需要將梁的長度和寬度設(shè)為參數(shù)化變量，此外，彎矩的大小及梁被劃分的網(wǎng)格大小均由用戶自己輸入。面對這幾個參數(shù)的多樣性，利用Python和Marc的良好交互性特點編寫直梁建模和網(wǎng)格劃分的參數(shù)化程序。Python程序以from py_mentat import *打頭，調(diào)用MSC.Marc的py_mentat模塊，主程序以def main（ ）：開頭，主程序下面是原始參數(shù)輸入，例如彎矩大小M，跨度L，梁高H、單元寬s1和單元長s2，子程序名稱依次列出，且子程序按照順序?qū)懺谥鞒绦虻纳戏健Ｕ麄€程序需要用pysend將命令送到MSC.Mentat執(zhí)行。

利用C#語言編制如圖1所示交互式界面，學(xué)生可以通過輸入彎矩的大小、梁的尺寸及網(wǎng)格劃分的大小就可點擊提交運算，后臺程序?qū)⒔缑嫔系膮?shù)傳給上述程序，然后調(diào)用MSC.Marc進行參數(shù)化建模與仿真，計算完成后，點擊查看結(jié)果可以直觀查看仿真結(jié)果。

2.可視化結(jié)果顯示與分析

當梁的輸入?yún)?shù)的長度與高度的比值比較小，則直梁的外形如圖2（a）所示，劃分出來的網(wǎng)格大小由學(xué)生自由控制，如果加的彎矩為M，則計算完成后的彎曲形態(tài)如圖2（b）所示，如果增加一倍彎矩，則彎曲形態(tài)繼續(xù)加大，如圖2（c）所示；同時，學(xué)生還可以通過查看最終的直梁彎曲變形曲線，并將其與材料力學(xué)中的經(jīng)典公式進行對比驗證。

結(jié)論

基于Python語言和MSC.Marc軟件良好的交互性編制的參數(shù)化程序可以靈活處理直梁的尺寸、單元大小和載荷施加方式，同時利用C#強大的編程和調(diào)用能力啟動Marc及其參數(shù)化程序，方便學(xué)生在學(xué)習(xí)材料力學(xué)直梁彎曲理論中加深對梁的彎曲變形規(guī)律的理解和認識。

參考文獻：

[1]姚月煥.直梁彎曲的教學(xué)方法探討[J].中等職業(yè)教育，2006（24）：43-44.

[2]李萍.直梁純彎曲實驗的教學(xué)改革[J].洛陽理工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2013， 3（1）：91-93.

[3]羅霄，任勇，山秀明.基于Python的混合語言編程及其實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用與軟件， 2004，21（12）：17-18.

[4]狄博，王曉丹.基于Python語言的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程教學(xué)[J].計算機工程與科學(xué)，2014，36（A01）：122-125.

[5]甘輝.基于MARC的板料沖壓成形過程有限元模擬研究[J].機械制造與自動化，2009，38（1）：48-50.

[6]趙毅，馬捷.利用Python和GTK+的Linux GUI應(yīng)用的快速開發(fā)[J].計算機工程，2004，30（8）：80-82.

作者簡介：

劉志芳（1984.6-），男，漢族，湖北黃岡人，博士，重慶理工大學(xué)，講師，研究方向為機械設(shè)計與制造。