ANSYS軟件在材料力學教學中的應用研究

張志紅

摘 要：ANSYS軟件是材料力學中常用的基礎性軟件，同時也是世界上應用最為廣泛的應用程序。在教學中應用ANSYS軟件，可以憑借其自身強大的分析功能，將圖形形象的顯示出來，讓學生對相關知識原理及現象有直觀的了解，加深學生對知識的理解程度。本文就ANSYS軟件在材料力學中的應用作簡要闡述。

關鍵詞：ANSYS軟件；材料力學；應用研究

作為一款有源分析軟件，ANSYS將多學科知識融于一體，包含了結構，電磁，流體，聲學以及熱等領域。在應用方面則涉及到了造船、生物、輕工、水利、能源等科學研究領域。通過軟件應用方面可以看出，在相關領域知識學習具有一定的難度，如果單純依靠教師用傳統方式進行教授，在教學效果方面一定是差強人意。ANSYS軟件應用其中，則可以起到一定的輔助作用，教學工作可以達到事半功倍的效果，學生學習質量也有了一定的保證。

1 材料力學教學現狀及內容

（一）教學現狀

材料力學科目自身的特點在于具有一定的抽象性，導致理論知識理解方面存在一定難度。教學工作安排不合理，教學時間沒有從學生的理解能力以及應用能力方面考慮，學生沒有充足的學習時間，教師在教學過程中為了在有效時間內完成相應的教學任務，在教學的方法上存在一定的不合理性，沒有有效的調動學生參與學習的興趣與熱情。

（二）教學內容

材料力學中有幾部分關鍵的知識難度較大，學生在理解的時候存在一定的問題。比如應力集中。所謂應力集中是指構件在受力的情況下，形狀及外形發生了突變從而導致的局部范圍內的應力顯著增大。教材通常只給出了應力集中的影響因素，但對于在相關因素的影響下具體的系數卻沒有給出確定值，學生對于這一點知識未能深入理解。

2 ANSYS軟件及有限元

ANSYS軟件是由美國一名博士在1971年推出的，最早的版本僅僅提供了熱分析及線性結構分析，其不足之處是只能在大型計算機運行，并且只是批處理程序。在上世紀70年代初期及后期有一定的發展，隨著技術不斷的進步，ANSYS軟件的功能也越來越強大，為用戶對某些問題進行深入的研究提供了幫助。有限元的發展有三個階段，探索時期，獨立發展時期，專家應用與其它軟件相互補充，共同發展時期，并且呈現出了相應的趨勢特征。

3 ANSYS軟件特點

（一）處理能力強大

處理能力強大主要體現在四個方面，其一是建模，其二是網格劃分，其三是參數設置，其四是與CAD無縫集成。網格劃分主要有兩種方式，自由與映射網格劃分，對于不同的幾何體而言，則有拖拉網格，層網格，局部細化。無縫集成方面，能夠與多款軟件進行數據交換。

（二）加載求解

在ANSYS軟件中，位移，溫度，力等任何載荷可在任意幾何體或有限元實體上，可以是數值，也可以是相關的函數。

（三）后期處理

對于利用ANSYS軟件獲得的數據，可以采用不同的方式進行輸出，比如，圖表，動畫，此外還可以進行載荷疊加分析。

（四）開放性

開放性主要體現在與其它軟件的有效對接，用戶在開放的環境下可以根據自己的需要對軟件進行相應擴充，對于邊界條件，材料結構等可以由用戶自定義。在不同類型的需求方面還可以進行二次開發。

ANSYS軟件將自身技術與相關軟件有效的結合在一起，自帶的語言可以進行二次開發。比如用戶可以在CAD中建模，然后通過接口將數據導入到ANSYS軟件中進行相關計算。也可以用程序自帶語言建模，計算，此時采用的是命令流的方式。

4 分析步驟

ANSYS軟件分析步驟主要有三個方面。首先是模型創建，包含讀入或創建模型，定義屬性，以及網格劃分。其次是施加載荷及選項，條件設定并求解。最后一步是結果的分析及驗證。

5 ANSYS軟件在材料力學教學工作中的優勢

（一）教學效果提升

材料力學首先是一門專業基礎課，其次是將多專業知識集中于一體，主要研究內容是構件在力的作用下產生的變形，損壞，以及失效等存在的規律。教學內容涉及到公式多，邏輯性強，計算過程難度大，計算量大，如涉及到微積分等知識，學生對于知識的掌握及理解存在問題，對于教師而言，如何進行有效的教學是不得不思考的問題。

ANSYS軟件針對問題進行建模，將數據轉化為圖象，從對人體大腦的刺激來看，視覺上的刺激更為有效，大腦對于信息的理解量更大，層次也更深。將抽象的知識變為具體，有效降低了學習難度。并且ANSYS軟件教學是動畫過程，學生對于知識以及相關原理的變化有清楚的認識，表現形式更加生動有趣，能夠在一定程度上調動學生學習的熱情和積極性，實現教學質量的提升。

（二）應用能力培養

材料力學理論知識的學習是為了更好的在實際工作中應用，單純的理論教學不足以培養學生的實踐應用能力。學生對于學習存在畏難情緒。ANSYS軟件應用通過建模對實際情景進行模擬，學生在一種高度真實的環境下學習，無論是理解能力方面還是在實踐能力的培養方面都有很大好處。

（三）增強探究性學習能力

ANSYS軟件在生活中的應用非常廣泛，學生有必要了解熟悉并掌握。學生動手的過程是為今后積累一定的經驗，培養并提升其解決問題的能力，同時也為走向社會奠定基礎。

6 實例探究

在對ANSYS軟件有了基本的了解之后，可以結合具體的例子加深認識。比如ANSYS軟件研究不同載荷下的懸臂梁。現假設有一懸臂梁，長、高、厚度分別是500，60，20。彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。分別在載荷1500N及集中力偶230N·m發生橫力與純彎曲。

由左圖可看出正應力在自由端附近為零，隨截面位置左移，應力相應增大，最大值出現在固定端。在固定端處最上與最下分別存在最大拉應力，最大壓應力，二者相等。

圖3為載荷下的米塞斯應力圖，左為集中載荷，右為集中力偶。結果與實際情況完全相符合。

7 結束語

本文對ANSYS軟件相關方面進行了說明，立足于教學實際，從軟件在教學工作中的優勢以及目前材料力學教學現狀作闡述。教師在教學工作中將軟件教學作為教學工作的一個重點來抓，讓學生通過自身動手實踐，對書中知識及原理有自身的領悟，同時培養學生的專項技能。無論是從教師教學還是學生學習的角度來看，ANSYS軟件應用都具有無可比擬的優勢，是針對教學存在問題的有效解決途徑。教師要重視，學生也要重視，學校更應該重視，從多方面為教學工作提供相應的保障。

參考文獻

[1]劉斌.ANSYS軟件在材料力學課程輔助教學中的應用[J].山東工業技術，2015（16）.

[2]楊學晶，楊家軍，譚麗輝.AnsysWorkbench軟件在材料力學教學中的探索與應用[J].科技資訊，2015（24）.

[3]張洪偉，席軍，許月梅等.有限元數值模擬技術在材料力學教學中的應用探討[J].化工高等教育，2016（02）.