CAE仿真技術在工程力學教學中的應用

劉曉慧

【摘要】工程力學是機械類及近機械類專業的重要專業基礎課。對于高職學生來說，工程力學概念抽象，公式深奧，學習困難，缺乏積極性。此外，工程力學教學時數減少，學生綜合素質下降。如何在有限的課時內達到預定的教學效果，是每個工程力學教師面臨的一大難題。隨著計算機技術的發展，仿真軟件越來越豐富。ANSYS是利用workbench有限元分析軟件輔助工程力學教學，有效地幫助學生理解課程中抽象的概念，自動生成云圖和動畫，顯示構件受力后的變形和應力分布情況，定性分析了應力應變的影響因素，省去了繁瑣的公式推導，節省了課堂時間，提高了學習效率，取得了良好的教學效果。

【關鍵詞】CAE仿真技術;工程力學;教學應用

1、CAE仿真軟件概述

計算機輔助工程CAE（Computer Aided Engineering），指用計算機輔助求解分析復雜工程和產品的結構力學性能，以及優化結構性能等。ANSYS workbench軟件是由美國著名的ANSYS公司研發的大型CAE仿真軟件，通過該軟件，將CAD模型構造成有限元網格模型，再施加載荷和邊界條件后，運行求解即可得到分析結果。

2、ANSYS workbench軟件仿真在工程力學教學中的應用

工程力學包括靜力學和材料力學兩部分，傳統的教學方法是教師在課堂上講解基本概念、推導公式、講解習題等。工程力學概念多且枯燥，公式多、計算多。重理論輕實踐的教學方法使學生缺乏學習興趣，造成學習困難、分析解決問題的能力差。采用仿真技術輔助工程力學教學，可以從以下方面入手。

2.1利用仿真將抽象的概念可視化，引導學生深入理解理論知識

工程力學中有些概念很抽象，如靜力學中約束的概念往往使學生很頭疼，無法理解。通過ANSYS workbench軟件中的邊界條件設置來說明約束的概念及約束反力。

工程力學的研究對象以梁、桿為主，梁桿約束以鉸支和固支居多。有限元軟件中的Fixed Support（固定約束），在頂點、邊或面上約束所有的自由度，對于殼或梁，限制x，y和Z方向的平移和轉動，對應的就是靜力學中的固定端約束。約束桿移動需要施加力，由于桿移動的方向不確定，所以約束反力方向未定，可用一對正交力表示，正交力的方向假設。約束桿轉動需要施加力偶，即約束反力偶，力偶矩的轉向假設。軟件中Simply support（簡支約束），可施加在梁的邊或頂點上，限制平移，但是所有旋轉都是自由的，相當于靜力學中的光滑圓柱約束。Displacement（位移約束），在頂點、邊或面上約定已知的位移，輸入“0”代表此方向上已被約束，即位移為零的方向必有一約束反力，對應光滑接觸面約束。邊界條件及載荷設置后，經仿真動畫顯示變形、位移結果，進一步闡明各約束及約束反力的特點。

2.2利用仿真將力學問題形象化，幫助學生掌握桿件變形特點及應力應變分布規律

以往講解扭轉軸橫截面上的應力及純彎曲梁橫截面上的正應力時，均通過實驗觀察其變形，研究變形幾何關系，再由應變規律得出應力的分布規律，最后根據靜力關系推導出應力的計算公式。公式推導過程既繁瑣、又枯燥，大部分學生均無法接受。

采用仿真技術，通過軟件仿真各種變形，軟件可以直接生成動畫，而且動畫可以循環播放，這有助于更加清楚的反映變形特點。

利用軟件可進一步仿真橫截面上的應力類型、應力分布特點，純彎曲梁橫截面上正應力（Normal）的分布，圖中很清楚地顯示了截面中性軸處正應力最小（接近零）。截面上離中心軸越遠，正應力的值越大，在中性軸兩側各點的正應力一正一負，表示一側受拉，一側受壓，截面上下邊緣各點正應力值最大。ANSYS workbench軟件還能直接給出橫截面上垂直于中性軸由上向下一直線上各點的正應力分布，該直線上各點的正應力由最上點的124.36MPa變化到最小點的-124.36MPa，呈線性分布，該直線與中性軸的交點處應力為零。有了這樣的仿真結果，在教學中直接給出純彎曲梁橫截面上的正應力計算公式，略去了復雜公式的推導，形象直觀，學生更易接受。同樣可仿真扭轉軸的變形及扭轉軸橫截面上的剪應力分布。

2.3利用仿真軟件定性分析力學問題，引導學生分析應力應變的影響因素

工程力學中中壓桿的臨界力概念比較抽象，學生對臨界力的影響因素及如何影響還不清楚。通過軟件模擬，可以定性地解釋影響壓桿臨界力的主要因素有：桿兩端的約束、桿的長度、桿截面的形狀和尺寸等，進一步分析這些參數對壓桿臨界力的影響。軟件可以計算同一壓桿在不同約束條件下的臨界力。比較表明，桿兩端的約束對壓桿的臨界力有影響。約束越強，臨界力越大。

如果壓桿截面形狀不同，則壓桿材料、兩端約束、壓桿長度和截面面積相同。通過仿真計算了壓桿的臨界力，結果表明：截面形狀不同，壓桿的臨界力不同。因此，指導學生掌握歐拉公式。

2.4利用仿真軟件解答疑難問題

實際工程中的力學問題非常復雜，學生通常無從下手。借助軟件仿真，可以幫助學生解決復雜的力學問題。如對于兩端鉸支的壓桿，其橫截面為矩形，現求此壓桿的臨界力。

通過軟件仿真觀察到該壓桿會沿矩形偏的那側彎曲失穩。因此計算臨界力時，慣性矩的計算公式應為 ，而不是 （b為矩形截面的寬度，h為截面的高度），同時告知學生這類壓桿的截面應盡量做成對各截面形心軸慣心矩相近或相等的形狀，如正方形、圓形等。

結論：

以上是仿真軟件在工程力學教學中的應用實踐。將ANSYS workbench仿真軟件引入工程力學教學，是教學方法的一種創新。借助于模擬，學生可以加深對工程力學課程和許多抽象概念的理解。通過實際研究得出以下結論。（1）通過軟件仿真，實現了鏜削機械概念的可視化。由于軟件操作的方便，各種云圖片和動畫都可以通過軟件直接生成。這些結果可以直接應用于課堂教學，也可以嵌入到多媒體課件中，極大地豐富了教學資源。（2）借助有限元模擬，省去了復雜力學公式的推導，有效地節省了課堂時間。（3）有限元仿真軟件在教學中的輔助應用，可以加深學生對教材知識的理解，彌補理論和實驗教學的不足，激發學生的學習興趣，提高教學效果。（4）有限元仿真技術依賴于力學等學科的理論和實踐。在高職高專工程力學教學中，由于有限元理論需要大量的數學、物理、力學等基礎知識，故應將其作為輔助而不是指導。

參考文獻：

[1]譚鄒卿，蔣學東，何云松，班書昊，席仁強.ADAMS仿真技術在理論力學教學中的實踐與探索[J].教育現代化，2019，6（96）：195-197+216.

[2]劉鴻莉，呂海霆，劉軍，程瑞.CAE仿真技術在本科機械基礎專業課教學中的應用[J].機械設計與制造工程，2017，46（06）：120-122.