基于ANSYS Workbench的工程力學教學探索

陳東陽 顧超杰 芮筱亭

摘? 要：在工程力學課程中引入計算機仿真技術，為工程力學教學帶來更多的形式，同時可以提高學生的學習興趣以及幫助學生理解工程力學中的關鍵問題，從而獲得更好的教學效果。本文從高速發展的計算機仿真技術背景下的工程力學教學改革的意義出發，探討了有限元商業軟件ANSYS Workbench在工程力學教學中的角色、改革途徑和方法。實踐證明，通過在課程教學中插入ANSYS Workbench仿真教學可以幫助學生更好掌握相關的工程力學知識，并增強學生的創新思維和創新意識。

關鍵詞：工程力學? ANSYS Workbench? 計算機仿真技術? 教學探索

Abstract： The introduction of computer simulation technology into the engineering mechanics course can bring more forms for the engineering mechanics teaching. It can improve students' interest in learning and help students understand the key problems in engineering mechanics， so as to achieve better teaching results. Based on the significance of Engineering Mechanics Teaching Reform under the background of high-speed development of computer simulation technology， the role， reform approach and method of ANSYS Workbench in engineering mechanics teaching are discussed in this paper. It has been proved that the simulation teaching of ANSYS Workbench can help students master the relevant knowledge of Engineering Mechanics and enhance their innovative thinking and consciousness.

Key Words： Engineering mechanics; ANSYS Workbench; Computer simulation technology; Teaching exploration

揚州大學電氣與能源動力工程學院主要是由新能源、能源動力工程、電氣工程等專業的學生組成。工程力學作為一門理工科專業基礎課程，是學生們后續學習相關專業知識，掌握專業技能以及考研升學的重要知識基礎。因此，掌握和熟練運用工程力學課程的主要知識至關重要。

工程力學涉及眾多的力學學科分支與廣泛的工程技術領域，一般主要由靜力學和材料力學兩部分內容組成，是一門理論性較強、與工程技術聯系極為密切的技術基礎學科[1-2]。工程力學專業人才培養既要把握市場對該專業人才在知識、能力等方面的需求，更要考慮專業的長遠可持續發展[3-5]。工程力學課程具有理論性強、課程艱深、課時相對較少的特點，但是工程力學的定理、定律和結論廣泛應用于各行各業的工程技術中，是解決工程實際問題的重要基礎。同學們在學習該課程過程中覺得工程力學課程中有很多概念理論性強，公式推導較多，較難理解，且學習過后容易忘記等問題。同時，相比傳統的教學方法，工程力學教學中存在教學形式單一、教學內容缺乏工程實踐性等缺點。

為了解決上述問題以及適應能源動力類專業本科教學的要求，將基于有限元商業軟件 ANSYS Workbench的計算機仿真技術運用到該學科的教學過程中，為工程力學教學帶來更多的形式[6-7]。有限元仿真在工業界和學術界都得到了廣泛應用，培養有限元仿真技能已成為新工科人才培養中不可缺少的環節[8]。通過教學改革對傳統的工程力學教學方法和內容進行適當優化，提高學生的學習興趣以及幫助學生理解工程力學中的關鍵問題，從而獲得更好的教學效果。對于提高能源動力類專業大學生工程綜合素質和培養創新能力方面都具有重要的意義[9-10]。

1? 有限元商業軟件ANSYS Workbench特點與應用

ANSYS Workbench軟件是ANSYS公司旗下的大型多物理場耦合分析平臺，即協同仿真平臺。ANSYS Workbench仿真平臺能夠對復雜機械系統的結構靜力學、結構動力學、剛體動力學、流體動力學、結構熱、電磁場以及耦合場等進行數值仿真模擬。

基于Workbench的仿真環境有三點與傳統仿真環境有所不同：

客戶化：根據用戶的產品研發流程特點開發實施形成仿真環境;

集成性：Workbench把求解器看作一個個組件，不論由哪個CAE公司提供的求解器都是平等的，在Workbench中經過簡單開發都可直接調用;

參數化：Workbench對CAD系統的關系不同尋常。它不僅直接使用異構CAD系統的模型，而且建立與CAD系統靈活的雙向參數互動關系;

概括的講，ANSYS Workbench平臺下有很多求解器，可以求解大多數常見的力學問題。學生使用這款軟件進行力學分析的好處是可以在該平臺下直接完成幾何建模、網格劃分、邊界條件設置以及求解后處理。該軟件平臺相比傳統的軟件操作方法簡單、易學易懂。同時，該平臺可以實現多個模塊的連接，進行多物理場耦合仿真。例如，在結構靜力學仿真上加上流體仿真，將流體的載荷加到結構上，可以實現流固耦合仿真。

此處，介紹了有限元商業軟件ANSYS Workbench的強大功能的同時，也必須強調ANSYS Workbench軟件作為一個分析工具的局限性。強大的軟件給學習、科研、設計等工作提供便捷，但絕不能忽視基礎知識的學習，過度依靠、依賴國外開發的商業軟件。

2? 探索教學改革的途徑和方法

2.1 基于計算機仿真技術的工程力學課程改革

實踐中對工程力學課程的傳統教學方法做以下改革：

（1）在講授工程力學課程的靜力學部分，重點打好學生對構件進行受力分析的基礎，不講授商業軟件ANSYS Workbench使用方法，只科普一些工程上解決力學問題的方法，其中包括有限元軟件ANSYS Workbench、NASTRAN等。

（2）在講授工程力學課程的材料力學部分時，任課教師在制作課件時就可以針對知識點引入由 ANSYS Workbench 軟件的使用方法并介紹一些具體的工程算例以及仿真計算出的現象，可以幫助學生理解工程力學中的相關概率。PPT中增加這部分內容可以提高學生的學習興趣，也使得學生擴寬了眼界。在授課過程中，要告訴學生工程力學課程中有哪些局限性，哪些算例是不能用工程力學書上的方法計算的，可以通過有限元軟件來完成，但是有限元軟件的理論最根本的來源就是來源于這些基礎力學知識，鼓舞學生下功夫理解課本，學好力學的基本知識。

（3）在工程力學教學課程中增設ANSYS Workbench軟件學習的上機課時。本科生在本科期間通過初步的學習ANSYS Workbench中的幾何建模模塊、靜力學仿真計算模塊的操作，加深了對書本知識的理解。同時，掌握軟件的使用方法也為學生增加了一項專業技能，不管是本科畢業去企業工作，還是將來繼續深造，ANSYS Workbench都可以是一個很好的輔助工具。

2.2 為新能源專業課程做鋪墊

揚州大學的新能源專業主要是風力發電，風力機的設計中與工程力學相關的知識點非常多。典型的風力機就是由桿、軸、梁等構件組成，涉及到工程力學的材料力學部分，比如桿的拉壓、軸的扭轉、梁的彎曲、壓桿穩定、材料強度等問題。可見工程力學與新能源專業密切相關。如何在工程力學課程中引導學生對新能源專業的興趣，并為將來學生學習風力機專業知識打下基礎，可通過以下幾個方面進行教學改革：

（1）通過ANSYS Workbench軟件可以計算桿的拉壓、軸的扭轉、梁的彎曲。學生通過工程力學課程中的方法計算出結果再與ANSYS Workbench的計算結果進行對比。同時，ANSYS Workbench可以顯示后處理動畫，加深學生對各種基礎構件變形、應力、強度的理解。

（2）工程力學實驗改革。工程力學課程中有實驗課時，通過教學改革，增加上機課時，即相當于進行數值實驗，因此學生需要對上機的課時進行掌握，并完成相應的課程設計作業。結合新能源專業的特色和工程力學課程的基本知識，安排學生完成的課程數值實驗內容如圖1所示的流程圖，即計算風力機葉片在加載載荷作用下的變形。通過幾何建模、網格劃分、選用不同的材料，定義不同的邊界條件，施加不同的力、扭矩、彎矩等，計算出不同的變形、應力結果，并進行自主分析，撰寫數值實驗報告。將 ANSYS Workbench分析計算納入工程力學實驗環節中的一部分對提高學生工程實踐能力具有重要作用。

3? 結語

工程力學課程專業性強，理論推導繁瑣，學生學起來有一定的難度。因此需要結合高速發展的計算機技術，將計算機仿真技術應用到課程教學中，更新教學理念，加強教學改革。通過以先進的商業軟件為載體的方法，將課程知識融入到實踐教學中去，同時帶領學生樹立正確的軟件使用觀念，有助于提高本學生掌握力學的基礎知識，提高學生的學習積極性與創新能力。學生通過學習商業軟件的使用方法，還能幫助學生的提高實際解決工程問題的能力，更加能夠適應社會的需求。

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