李 琳 徐 岩 王晓红 朱晓明 赵晓丽 谢韶旺

哈尔滨工程大学 黑龙江哈尔滨 150001

CAE在强度理论教学中的应用*

李 琳 徐 岩 王晓红 朱晓明 赵晓丽 谢韶旺

哈尔滨工程大学 黑龙江哈尔滨 150001

本文提出了强度理论全程动态学习的理念，借助UG-CAE模块的实践教学，进一步强化了学生对材料力学中应力与强度理论的理解，实现了强度理论与CAE案例教学的有机融合，增强了学生处理工程问题的力学能力。

CAE；强度理论；教学

在市场经济大潮下，高等教育的办学观念也要与时俱进，此种形势下，如何实现力学课程与学生工程意识培养的良好衔接成为一个急待解决的课题。我们提出了材料力学中强度理论的动态全过程学习的理念，即完成材料力学必修课后，通过CAE案例分析的实践环节，帮助学生激活所学的强度理论，实现强度理论的全程动态学习。

Unigraphics,简称UG，是德国西门子集团公司集CAD/CAM/CAE于一体的软件集成系统, 它涉及产品设计、仿真和制造开发过程中的各个环节，可以实现数字化的产品开发，能够完成大学一、 二、 三、四年级相关课程的教学实践。

作为全校学生的实践基地，我们基于UG平台，面向大三、大四学生开设了三维机械设计课程，此时的学生已经完成了理论力学、材料力学等力学基础课程的学习。但是我们在教学实践中发现，虽然学生完成了这些力学课程的理论学习，但在对实际零件进行强度校核中，面对一个零件的CAE分析结果，该如何选择合适的强度准则，仍然显得无所是从，也就是缺乏对强度理论的工程认识，这无疑会影响学生在就业市场上的竞争力。如何实现理论课程与实践教学的有机融合，成为一个值得探索的领域。

应力理论及强度理论是材料力学中的一个重要部分。高等学校材料力学教材中一般给出4种强度理论，即最大拉应力理论、最大拉应变理论、最大剪应力理论和形状改变比能理论。各强度理论都有其一定的适用范围，因而学生在强度理论的选用时，往往会产生困惑。尤其对于大学低年级学生而言，这部分内容抽象，基本概念和推导方法枯燥难懂，而且没有相关的工程背景支持，较难理解这部分理论在工程实践中的重大意义，即使学完了相关理论也无法建立清晰的工程意识。

针对这一问题，我们在三维机械设计课程的实践教学中，通过对具体零件的有限元计算，借助UG-CAE模块，剖析强度理论的概念和实质，分析各个强度理论的侧重点和工程应用范围，使学生通过对零件的仿真分析实战，掌握强度理论的相关背景知识和分析方法，逐步理解强度理论的提出。通过对每个分析实例结果的深入剖析，使学生对强度理论有了更深层次的认识，不仅能知其然，更重要的是能知其所以然，这对于1个学生的求学历程而言是弥足珍贵的。

UG-CAE后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、立体切片显示(可显示零件的内部结构)等图形方式显示出来 (如图1所示)。

图1 UG高级仿真计算得到的零件不同截面的应力值

从图1中可以看到不同强度理论对应的零件不同截面的应力值及其他仿真结果，并且可以动态展示零件的变形情况。同时可以很方便地设置不同材料、不同载荷及约束，使学生能认识到不同破坏形式对应有不同的强度理论，通过多工况的对比，使学生对原本抽象的、公式化的强度理论有了更感性、更深刻的认识,收到事半功倍的教学效果，帮助学生建立相应的力学概念。通过对零件的CAE仿真分析,促进了学生对应力理论和强度理论的深入理解,变被动为主动,有意识地强化了强度理论的学习,实现了强度理论的动态学习,逐渐使学生认识到了教科书上依据强度理论建立的各种强度条件所具有的实践意义和应用价值。

通过实践环节的教学，激发了学生的创新意识及主动学习的能力，培养了学生的学习兴趣及实践动手能力，提高了学生分析问题和解决问题的能力，把“力学必修课程”变为“我想学，我想知道为什么”的自主学习课堂，大大提高学生的学习效率，使学生的综合素质得到提升。

学生通过CAE案例分析中很自然地完成认识——实践——再认识的完整认识链，这有助于学生系统扎实地掌握机械设计及相关力学知识，提升学生现场实战能力，增强学生在就业市场上的竞争力。在教学实践中我们发现，通过UG-CAE模块的教学，学生对强度理论认识，逐步由感性认识上升到理性认识，进一步加深对材料力学相关概念的认识。教学实践表明CAE案例分析是实现理论与实践联系的一个关键环节。

[1]杨鼎宁，邹经湘，盖登宇.计算机辅助工程(CAE)及其发展[J].力学与实践，2005，27(3):7

[2]章泳健.面向应用的有限元分析课程的导入及教学实践[J].常熟理工学院学报(教育科学),2009，6:116

[3]吴妽妽.关于第三、四强度理论的教学探讨[J].力学与实践,1995，17(1):64

Application of CAE in cheory of strength teaching

Li Lin, Xu Yan, Wang XiaoHong, Zhu Xiaoming, Zhao Xiaoli, Xie Shaowang
Harbin eingineering university, Harbin, 150001, China

Based on the experience in UG-CAE course practice teaching, dynamic teaching methods of theory of strength are put forward in this paper. Inosculating of CAE project teaching and theory of strength, it makes the students to grasp the basic mechanical knowledge of Engineering problem and to strengthen the understanding of stress and theory of strength.

CAE; theory of strength; practice teaching

2009-10-12

李琳，博士，讲师。

*本文系哈尔滨工程大学基础研究基金(HEUFT08015)及哈尔滨工程大学教学改革工程立项《工程问题导向的CAE实践教学研究》。