基于ANSYS的工程力學在機械工程教學中的探索

摘 要：合理的課程設置是培養技術應用型人才的重要前提。本文通過分析機械類專業普遍的教學體系，結合工程力學知識在實際工程中的重要應用，探討了在各個領域都有著很強的適用性的大型有限元分析軟件ANSYS在本科生工程力學教學中的改革途徑和方法。這對提高學生工程實踐能力，更好地培養技術應用型人才奠定了理論基礎。

關鍵詞：ANSYS；工程力學；工程實踐

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.204

機械工程是國民經濟建設和社會發展的基礎學科之一。而工程力學是機械類專業本科階段普遍開設的一門專業基礎課，為其它專業課程有力的理論支撐，工程力學的力學計算分析貫穿在這些課程的方方面面。隨著各行業對具有扎實理論知識和突出實踐能力的人才的大量需求，以技術應用型人才為培養目標的應用型本科院校迅速發展。為了適應機械類專業本科實踐教學的要求，將工程應用型有限元分析軟件ANSYS運用到該學科的教學過程中，通過教學改革對傳統課程的教學內容進行適當優化，對于提高機械類專業大學生工程素質和培養創新能力方面都具有重要的意義。

1 傳統工程力學教學體系中存在的問題

工程力學主要分為理論力學部分和材料力學部分。該課程具有理論性強、課程艱深、課時相對較少的特點， 同時又是與實踐結合非常密切的一門課程[1]。傳統的機械工程教學體系中工程力學的教學完全采用按照教材進行純理論教學，存在著以下幾點問題：

1.1 教學方法過于單一

工程力學因其自身的嚴密體系決定了是偏重理論推導的。傳統教學過程中均采用板書或PPT展示公式的推導和計算過程，這種傳統的純理論授課方式，導致大量公式的羅列、課程枯燥乏味、學生對知識點印象不深以及無法靈活解決機械類課程中的相關問題等弊端，從而造成學生在今后的工作當中與知識脫節。

1.2 教學內容缺乏工程實踐性

公式的熟練運用在工程計算中是必備的基本能力 ，這要求我們不僅要熟練記憶這些知識點，更要深入理解其在實際中的應用，即要學以致用。在學校里很難有機會讓所有學生都能在實踐過程中得到針對性訓練，因此需要更為適合學生實踐能力培養的教學內容和教學方法的探索與補充。

2 有限元分析軟件ANSYS平臺特點及應用

2.1 ANSYS軟件平臺特點

ANSYS是集結構 、流體 、電場 、磁場 、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件[2]，在機械制造、汽車交通、航空航天及土木工程等行業，廣泛應用于軍用和民用的各種企業及研究院的設計和研究 。具有以下幾個主要特點：

（1）ANSYS 主要功能為對模型進行有限元分析，同時它也可以進行復雜的三維建模。除此之外ANSYS可與多數CAD軟件實現數據的共享和交換，如Pro/Engineer ，UG，CATIA， AutoCAD 等 [2]。（2）ANSYS使用統一的數據庫來存儲用戶的操作過程--命令流，命令流能清晰地顯示出所有設置的參數及計算結果，實現了前后處理、 分析求解及多場分析的數據統一。同時能夠通過修改所存儲命令流中的數據的形式來進行修改模型各參數并進行重新計算。（3）ANSYS擁有多個求解器，用戶可以根據需要選擇合適的求解器進行分析計算。（4）ANSYS包括LS-DYNA、Workbench這些非線性分析模塊，具有非常強大的非線性分析功能。（5）ANSYS具有非常友好的界面，初學者在一個月左右都可以掌握其功能并進行分析計算。

2.2 ANSYS軟件在工程中的應用

ANSYS廣泛應用于軍用和民用，主要有：大型設備汽車、飛機等運輸工具的高速碰撞模擬分析；結構安全分析；機械制造；生物力學；地震工程；液體-結構相互作用；軍用新材料（包括炸藥、復合材料、特種金屬等）的研制和動力特性分析等等。如圖1為對空心顆粒復合材料力學性能做數值仿真的晶胞建模圖[3]。

ANSYS的計算分析包括對模型進行靜力和動力分析，二者都可以考慮其線性及非線性特性。其中靜力分析為求解外部載荷引起的位移、 應力和力。動力分析求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。

3 教學改革的途徑和方法

3.1 工程力學課程改革

對傳統的工程力學課程可以進行兩方面改革：（1）在課堂的授課中，任課教師在制作課件時針對知識點引入由ANSYS軟件仿真的工程實例。結合工程實例的教學方法不僅可以增強課堂趣味性提高學生的學習積極性，同時也使學生理解了工程力學這門課的實際應用，并且通過軟件仿真的方法進一步解決了教師無充足的適合教學的工程實踐實例的問題；（2）工程力學課程中增設軟件學習上機課。學生在本科期間由教師帶領對ANSYS進行初步學習，有助于學生對該軟件復雜功能的進一步拓展學習和應用。無論是對今后工作增加就業機會，還是繼續深造都有實際的幫助。

3.2 與機械專業課程相結合

在機械類專業課程中，處處都有與工程力學相關的知識點，可見其重要性。如何進一步做到二者的緊密結合，可通過以下幾個方面進行教學改革：

（1）生產實習的教學改革。生產實習是機械類專業重要的實踐環節，學生們需要在規定的時間內完成制作成品。通過ANSYS軟件可以提前對擬完成的零件進行三維建模，不僅可以減免材料的浪費節約成本，而且在建模過程中學生對成品的細節都會有更詳細的了解。同時利用該軟件可以進行從毛坯到成品的加工模擬，幫助學生深入理解加工原理，有助于實習目標更好地完成。對成品進行力學分析，如易斷裂部位、承載能力及制造失誤的原因等等，從而進一步對零件結構進行優化。（2）課程設計的教學改革。機械類多門課程都設有課程設計，這是對學生知識綜合運用能力的系統鍛煉和提高。課程設計是從零件的類型、尺寸選擇到裝配完成的綜合實踐課程環節。而設計過程中零件尺寸的確定、安裝位置的選擇以及設計出來的產品能否滿足要求、有哪些易損壞部位、有哪些因素會導致產品壽命縮短，都可以用ANSYS軟件進行分析計算并進一步判斷。因此將ANSYS分析計算納入課程設計對提高學生工程實踐能力具有重要作用。（3）畢業設計的教學改革。機械專業的畢業設計大多數都要求對設計進行三維繪圖。ANSYS軟件可以模擬機器進行生產的過程，這樣使設計更加直觀和立體，且充分體現該設計的實際應用。如圖2為首鋼1580熱軋板帶軋機軋制鋼板過程仿真圖 。通過ANSYS軟件還可以對設計進行驗證性分析計算，為畢業生的理論設計提供支撐。

3.3 科研建設的教學改革

科研基于各門知識的基礎理論，只有使用相應的手段對對象進行研究，才能得到更準確的成果。ANSYS的強大功能使其在各領域的科研項目中被廣泛應用。

（1）教學團隊科研建設。當今在應用型本科院校教育中，以科研促教學是非常有效的教學手段。教學團隊應盡快提高自己的科研能力，并將其運用到專業教學中去。目前ANSYS軟件廣泛應用于國內外各大高校的科研人員的成果研究，ANSYS仿真最重要的是通過對仿真結果進行分析能得到仿真對象的眾多特性，進一步對數據進行對比分析并聯系到實際可與工程研究掛鉤，來解決生產中出現的實際問題。因此機械類專業教學團隊的教師們也應對該軟件進行深入學習，這將對在研課題提供新思路、拓展科研方向、提高教學能力等方面都有一定的幫助。（2）學生參與科研。大學四年學生可以學到大量的基礎理論知識及一定的實地操作經驗，但是實踐能力相較于社會工作所需還是有很大差距，讓學生參與到教師科研中去是對學生學以致用能力十分有效的鍛煉。學生利用ANSYS軟件進行問題研究時，需要前期分析、建模、加載及對計算結果進行分析，過程中會用到多門課程的知識。這會促使學生通過翻課本、查文獻、讀期刊等方法尋找解決方案，逐漸建立知識系統，進一步加深對理論知識的理解；為今后工作解決實際問題提供經驗、找到突破口；學生參與科研可以分擔教師的部分科研工作量，為其減輕科研負擔，縮短科研周期。

3.4 綜合創新能力的提高

在科技日新月異地發展的新時期，機械行業也由原始的機械加工向高精制造轉變。ANSYS軟件是一個可以包容多種操作的平臺，利用其可以進行多種新產品的制造、裝配及維護等多方面的分析。同時ANSYS分析對象的多樣性為學科的互相交融提供了平臺，這對培養大學生的創新思維和新成果的研究發現都有著重要的作用。

4 結束語

應用型本科院校在應用型人才培養過程中，通過以先進的教學軟件為載體的方法，將多門課程融入到實踐教學中去，進行課程教學改革，有助于提高大學生學習積極性與創新能力、培養優秀的技術型人才。同時增強了教師的科研能力和水平，提高了辦學層次。這對培養目標的實現和學校的發展都將發揮著重要而長遠的作用。

參考文獻：

[1]辛鋒先，弓俊卿，伍曉紅，吳瑩.基于培養實踐能力的“工程力學”教學創新改革與實踐[J].科教文匯（下旬刊），2018（12）：58-60.

[2]高興軍.趙恒華大型通用有限元分析軟件ANSYS簡介[J].遼寧石油化工大學學報，2004，24（03）：94-98.

[3]梁希.空心顆粒復合材料力學性能的數值仿真對策研究[D].秦皇島：燕山大學，2013.

作者簡介：吳正平（1988-），女，河北滄州人，研究生，講師，研究方向：機械振動。