安全工程專業數值模擬課程教學內容探討

蔡守宇

摘 要：安全工程專業學生能從宏觀方面對作業環境、設備設施等作出定性的分析和評價，但缺少對關鍵結構和重要環節進行定量的準確分析能力。而數值模擬課程正為此而開設，并有助于結合多門課程知識以解決具體工程問題。本文對數值模擬課程的教學內容進行了有益的探討，望更好地促進該專業學生能力的提升。

關鍵詞：安全工程;數值模擬;課程改革

科學技術是一把雙刃劍，人類在享受高度機械化、自動化、智能化等帶來的便利的同時，又不可避免地承受著潛在的風險甚至生命危險，一個小小的安全事故極易造成巨大的經濟損失和無法挽回的人員傷亡。近年來，政府、企業直到個人對安全越來越重視，用于事故預防的投入也日益增多。在這種形式下，安全工程專業正是為培養具備如下素質的復合型人才而開設的：能從事生產安全管理、安全防護工程、安全產品設計、事故防控規律研究、危險有害因素檢測、工程風險評價、生產經營單位安全監察與管理、應急等，多渠道保障生產安全、社會和諧、家庭幸福、個人健康。

安全工程專業的課程覆蓋面大，其作為一門工科專業還開設有安全管理學、安全生產法律法規、安全評價、安全心理學、安全經濟學等偏管理的文科類課程。此外，安全工程專業學生還需要學習或選修力學、機械、土木、材料、電氣等專業的基礎課程。專業課程覆蓋面廣雖然有助于擴大學生就業領域，但容易造成學而不精、對各個知識點不能融會貫通的培養結果。因此，該專業學生相對于機械、土木、電氣等工科專業學生，缺乏過硬的能夠解決具體工程問題的專業知識。此外，安全工程專業學生經過系統地訓練后，一般都能從宏觀方面對作業環境、設備設施等作出定性的分析和安全評價，但對于關鍵部位和重要環節常難以做出定量的準確分析。這在一定程度上不利于他們在實踐工作中的進一步發展和在科學研究中的進一步深入。

為此，有必要為安全工程專業學生開設一門能夠綜合運用多門課程知識以解決具體實際問題的數值模擬課程。數值模擬技術隨著計算機軟硬件的快速發展和有限元技術的廣泛應用，現已成為航空航天、車輛船舶、建筑橋梁等結構設計、分析和安全校核的重要工具，也自然成為很多工科學生必須掌握的知識技能。下面從三個階段對安全工程專業的數值模擬課程教學內容進行探討。

一、掌握基本的數據處理和可視化技術，能夠對典型機構進行設計分析

這一階段主要基于Matlab軟件進行教學，該軟件已深入到科學研究及工程計算各個領域。不僅是理工科教師和研究生，就連本科生在實踐和科研等環節也常用到Matlab軟件。

本階段教學內容包括Matlab操作基礎、矩陣和數組及其運算、符號運算基礎、M文件和流程控制結構、數據可視化，以及基于Matlab軟件的連桿和凸輪等機構的運動設計和運動分析。

二、掌握有限元分析方法的基本理論，能夠編寫簡單的有限元計算程序

有限元分析方法因其方便性、實用性和有效性已廣泛應用于幾乎所有的科學技術領城。安全工程專業學生大都就業于制造、采礦和建筑類行業，而有限元技術在這些行業中的應用越來越廣泛和深入。為了使學生能夠真正的掌握和運用這門技術，必須給他們打下一定的理論基礎，而不能局限于軟件的操作訓練。

本階段教學內容包括彈性力學相關預備知識、桿件體系結構有限元分析、平面問題有限元分析，以及基于Matlab軟件的有限元分析編程。通過編寫簡單的有限元程序，可同時強化學生對Matlab軟件和有限元理論的理解和掌握程度。

三、掌握常用數值模擬軟件的操作方法，能夠對三維結構進行仿真分析

現有的數值模擬軟件種類繁多，許多商用軟件功能強大且各有所長。安全工程專業學生如果能掌握其所從事行業和研究中的數值模擬軟件，就可以在宏觀的定性分析基礎上，對結構和設備等的關鍵部位和環節進行準確的定量分析，從而提出更為可靠的安全評價結論以及有效的解決方案和改進措施。

本階段的教學內容為ANSYS軟件操作，該軟件功能強大，操作簡便，應用領域廣泛，目前已被我國100多所理工院校所使用或者作為標準教學軟件。具體教學內容包括ANSYS軟件界面、幾何建模和操作、有限元網格模型建立、力學分析求解、后處理顯示分析結果、基于強度與剛度的結構安全性分析以及基于安全準則的結構優化設計。

以上三個階段的教學目標與內容環環相扣、逐層遞進：首先使學生掌握Matlab軟件的數據處理和可視化功能，并通過機構設計和運動分析提高學生學習興趣并鞏固編程技能;其次給學生講授有限元方法基本理論，并結合Matlab軟件實現簡單的有限元分析，有助于學生打下扎實的理論基礎;最后通過ANSYS軟件講解和訓練，使學生能夠對關鍵設備結構進行仿真分析，并基于計算結果進行專業的安全性評價和進一步的優化設計。

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