2023年材料力学与ANSYS软件相结合教学模式研究.docx

天道酬勤 材料力学与ANSYS软件相结合教学模式研究 刘培行 陈爱平 许灿 []ANSYS是目前结构分析应用最广泛的软件，本论文就在机械专业的材料力学教学中引入该软件的优势、内容、方法三方面做了论述。 [关键词]材料力学 ANSYS 结构强度 引言 材料力学是机械专业的学科根底课，其教学目主要是为了后期专业课效劳。它与机械设计、课程设计、毕业设计等息息相关。材料力学理论教学内容概念繁杂，定义抽象，学生不好学，老师不好讲。尤其是应力状态内容经常陷入只可意会不可言传的“微妙境界〞。而其相关的课内实验教学往往以破坏性的验证性实验为主，其实验对应用型的本科生意义不大，而且其本钱高，其实验器材具有不可重复性。在材料力学的教学过程中引入ANSYS软件可以弥补这些缺点。 一、ANSYS软件结构分析功介绍 〔一〕软件的结构分析处理过程 ANSYS有限元分析分为前处理过程；求解过程；后处理过程。前处理过程就是创立有限元模型；求解过程就是施加载荷并求解；后处理过程就是查看分析结果。ANSYS软件的CAD/CAE的协同环境AWE〔ANSYS Workbench Environment〕可直接读入各类绘图软件的零件模型。当然也可从ANSYS软件中直接建模。比方说汽车车架，车架的结构较为复杂，那么可用CAD建模导入ANSYS中。对于前处理过程中关键性的网格划分，网格划分是比拟繁琐费时的，对于缺乏经验的人来说很难准确完成，而其划分的准确性对求解过程会有很大的影响。ANSYS的网格划分是比拟智能化的，对于学生们来说可以很好的弥补经验缺乏这一缺点。在分析求解过程中使用有限元方法进行分析求解时可先对一些条件进行假设，然后再引入的约束条件，来模拟实际的边界条件。通过计算车架在无阻尼状态下的固有频率和振形可分析其共振环境和频率。通用后处理器那么可以把结果数据映射到任意路径上，可以观察某项结果数据沿路径的变化情况。 〔二〕软件结构分析内容 ANSYS软件中的结构静力分析很适合用于处于稳定外载荷引起的系统的应力应变。静力分析可以分析稳定的惯性力和随时间稳定变化的静载荷，比方说金属锚杆静力分析，首先利用ANSYS软件建立锚杆的原始模型，有原始模型推建几何模型，运用有限元分析可得出元件根本上都是从杆体部位断裂，想要提高锚杆的使用寿命，那么需从杆体部位入手。运用ANSYS平台进行结构分析不仅有其实用价值，在教学中更能表达出其理论价值。 二、材料力学教学与ANSYS软件相结合 〔一〕材料力学教学与软件结合教学模式实施方案 对于应用型本科教学而言，可将传统的64〔理论课时〕+8〔实验课时〕改成50〔理论课时〕+22〔软件教学〕。对应用型本科材料力学中的实验全部用软件教学代替，再将理论教学中的一局部〔公式推导、演示局部〕学时也用于该软件的教学。当然，该软件在相关删掉的理论教学方面完全有替代作用，且其效果较传统教学模式好。 〔二〕实验教学内容用ANSYS软件的相关教学代替 传统的材料力学实验一般都是拉压、扭转变形的应力公式验证，这些实验大多为验证破坏性实验。而我校属于三本院校，培养出来的本科生以应用型为主。这些验证性实验对大局部本科生都没有什么实质性的意义。且这些实验对其公式的应用也并无益处，其破坏形式也很难从实验中观测出来。在引入ANSYS软件教学后，可利用其后处理模块动态演示实验过程，另外很重要的一点就是与实验室破坏性实验不同，ANSYS可重复屡次演示实验过程，可大大节约实验材料，并加深学生们的理解。 〔三〕理论教学引入ANSYS软件 下面就在材料力学教学过程中那些内容要引入软件教学进行论述。 1.拉压扭转变形 通过ANSYS软件建造构件的拉压扭转变形模型。比方：圆形截面杆件的扭转变形，通过图例可以很好的看出圆形截面杆件扭转时各截面仍为平面。通过这种图例可直观简洁的看出杆件发生的变形，可以很好地帮助学生理解扭转变形，还可以节约教师课堂教学时间，提高教学效率。 2.压杆稳定 通过建立有限元分析，可使学生更容易理解用ANSYS软件的分析过程，在求解过程中，首先应当进行静力分析，得出静力解。再做特征值屈曲分析。ANSYS中有两种分析方法：线性〔特征值〕和非线性屈曲分析。其中线性屈曲分析与教材中的弹性屈曲分析方法类似，结果与欧拉解相同。屈曲过程的结果在结果文件中，文件中包含屈曲载荷系数、模态形状、相对应力分布等等。其结果与教材中的理论结果相吻合，这样就加深了学生对压杆失稳的理解。 3.组合变形 ANSYS强大的非线性分析能力可以有效的解决各类组合变形问题，例如：矩形截面梁的弯扭组合变形属于典型的几何非线性问题，这就需要用有限变形理论来解决。首先，可用ANSYS对矩形截面梁所受载荷的变形程度进行分析，将分析结果与实验结果进行比照，发现结果相差无几，由此可以看出，ANSYS完全可以模拟弯扭组合变形问题。这样不但节约了时间，而且更加方便学生理解掌握。 4.应力状态分析 通过有限元分析可以得出零件结构的工作特性。比方说应力集中问题。教材中一般只对影响因素进行说明，并未对影响后的结果做具体说明，以至于学生对于应力集中得不到更多了解与认识。教师可利用ANSYS软件对应力集中计算并分析其结果，即可帮助学生对其分析计算有更感性的理解。这样既可以帮助同学们系统的理解应力状态分布知识也有助于培养学生们的创新能力。 〔四〕教学效果 我校对材料力学这门课程在2023级机械专业试行这种教学模式。现在该年级学生已经快毕业。证明该年级的学生在后期的专业课中对于强度分析校核的应用的理解明显优于其他年级的。通过调研发现，在学生找工作的过程中，有ANSYS软件应用能力的学生更受欢送。 三、结束语 ANSYS软件不但能够丰富理论教学内容，提升学生对于材料力学的兴趣，加深学生们对于教材理论认识，将其与课堂内容教学结合起来，可以有效地解决课堂中所遇到的一些疑难问题，拓宽学生们的知识面，熟悉所学的知识在实际工程当中的应用，为以后机械设计等专业课的学习打下根底。而且还可以培养学生们应用计算机的能力，促进学生掌握一门实用性很强的应用软件。这对于应用型本科人才的培养至关重要。 武昌工学院校级教学研究工程：〔课题编号2023JY01〕 课题名称：“实践+应用软件+理论〞三结合模式课程体系的构建研究 [参考文献] [1]刘鸿文.材料力学：第五版【M】.北京：高等教育出版社，2023 [2]张功学；田杨.基于ANSYS Workbench的变速自行车车架的有限元分析【J】.西安.陕西科技大学.2023年6期 [3]黄飞；何忠韬；臧国群.基于ANSYS的高速动车车轮强度分析【J】.兰州.兰州交通大学.2023年1期 [4]李丽君；沈玉凤.ANSYS对于压杆稳定的辅助教学【J】.淄博.山东理工大学交通与车辆工程学院.2023〔7〕1期 [5]李顺才；王学峰；杨闯.ANSYS软件在材料力学教学中的应用研究.徐州.徐州师范大学【J】.2023〔2〕1期 [6]许兰兰.ANSYS在混凝土结构教学中的应用.南京.江苏播送电视大学.2023〔8〕8期 〔作者单位：武昌工学院 机械工程学院 湖北武汉〕