基于solidworks的材料力學實驗教學改革探索①

廖丹，袁嚴輝，鄭茂溪

[摘 要] 針對目前材料力學課程學時限制無法匹配實驗課程的現狀，根據數值模擬的優勢，提出將數值模擬引入實驗教學，幫助學生掌握新的技能，以期提高實驗教學質量。

[關 鍵 詞] 材料力學；實驗教學；soildworks

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）10-0073-01

一、材料力學實驗課程現狀

材料力學是機械專業的基礎核心課程，在機械設計人才的培養上具有十分重要的位置。材料力學實驗課程是材料力學學習中非常重要的一環。目前很多學校對材料力學的課時數一再地進行刪減，從最初的96學時減為78、56，甚至48學時。這就導致實驗課時的縮減，甚至取消實驗課程。為了在有限的時間里，讓學生更加快速清楚地理解材料力學的基本原理和基本現象，將基礎實驗課程改為數值模擬實驗課程，利用數值模擬的時效性和直觀性，讓學生更快更好地掌握知識。

二、solidworks simulation 模塊

solidworks simulation源于FEA（有限元）軟件COSMOSWorks，simulation模塊將仿真流程無縫融入了機械設計過程。有限元法是目前應用較為廣泛的一種現代計算方法。利用將工程結構離散成各個小單元，對每一個單元假定一個近似解，通過求導求解整個計算域的條件，從而得到最終解[1]。有限元計算不僅計算精度高、操作界面友好，而且能針對各種復雜形狀。solidworks simulation相較于其他有限元軟件具有操作簡單易上手的特點，便于本科生學習。

三、實驗實例

材料力學課程最大的特點是概念多、公式多、理解難，特別是應力分布、各項應力狀態部分。為了滿足應用型人才的需求，材料力學需要改革課程，幫助學生更好地學習和掌握基本理論。

梁彎曲變形實驗是材料力學實驗中一個至關重要的實驗項目。現以數值模擬實驗來測定該矩形截面梁在純彎曲變形中橫截面正應力的分布情況。通過solidworks simulation進行實驗，得到各點的數據，并與材料力學公式б=■計算結果進行比較[2]。實驗模型如圖1所示，梁的尺寸為10 mm×20 mm×100 mm，材料為合金鋼。

進行有限元分析，首先根據梁的尺寸在solidworks中建立三維模型，然后進入simulation仿真模塊。再根據實驗條件進行約束條件的設定及載荷的添加，然后運行此算例，得到各點正應力的數值模擬解，如圖2所示。從圖中可以看出在該截面，各點正應力呈近似線性變化。

在材料力學理論課上講解的應力分布規律，對學生而言很難理解，但利用數值模擬仿真，可以很直觀地看到梁截面上各點應力的分布。如圖3所示，可以看到縱向截面上正應力分布云圖，從云圖顏色的變化可以直觀清楚地看到各點正應力的大小。從圖中可以看出中性軸上方被壓縮，受壓應力最大值為143.5MPa；中性軸下方被拉伸，受拉應力最大值為143.5MPa；越靠近中性軸，應力越小。這個應力分布趨勢跟材料力學課程理論分析結果一致，但卻能更加清楚直觀地體現。

四、結論

本文通過利用solidworks simulation模塊模擬梁的彎曲變形，形象直觀地展現了材料力學中彎曲變形正應力計算公式的含義及中性軸等抽象概念。學生可以更好地理解，也提高了學習興趣，為以后進一步進行工程實際問題分析打下了基礎。

參考文獻：

[1]傅永華.有限元分析基礎[M].武漢：武漢大學出版社，2003.

[2]顧曉勤，譚朝陽.材料力學[M].北京：機械工業出版社，2011.