CAE仿真技术在工程力学教学中的应用

2020-09-10季维英楚焱芳

内燃机与配件 2020年1期

季维英　楚焱芳

摘要：运用ANSYS workbench软件对力学问题进行有限元仿真，将此仿真技术用于辅助工程力学教学，加深学生对理论知识的理解，软件自动生成的云图、动画直观显示构件受力后的应力、应变分布规律，能定性分析应力应变的影响因素，通过仿真略去了繁琐的公式推导，促进学生对力学知识的掌握，激发学生的学习兴趣，提高教学效果。

关键词：ANSYS workbench;工程力学;教学;辅助

0 引言

工程力学是机械及近机械类各专业的一门重要的专业基础课。对于高职高专学生而言，工程力学概念多且抽象、公式深奥，学生普遍感到难学，学习积极性不高[1]。加上工程力学教学课时不断减少，学生综合素质下降，在有限的课时内要达到预定的教学效果，这是每一位工程力学教师面临的一大难题[2][3]。随着计算机技术的发展，仿真软件日益丰富，采用ANSYS workbench有限元分析软件辅助工程力学教学，有效帮助学生理解课程中的抽象概念，软件自动生成的云图、动画直观展示构件受力后的变形及应力分布，还能定性分析应力应变的影响因素，省去了繁琐的公式推导，节约了课堂时间，提高了学习效率，取得了良好的教学效果[4]。

1 CAE仿真软件概述

计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering），指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。ANSYS workbench软件是由美国著名的ANSYS公司研发的大型CAE仿真软件，通过该软件，将CAD模型构造成有限元网格模型，再施加载荷和边界条件后，运行求解即可得到分析结果。

2 ANSYS workbench软件仿真在工程力学教学中的应用

工程力学包括静力学和材料力学两部分，传统的教学方法是教师在课堂上讲解基本概念、推导公式、讲解习题等。工程力学概念多且枯燥，公式多、计算多[2]。重理论轻实践的教学方法使学生缺乏学习兴趣，造成学习困难、分析解决问题的能力差。采用仿真技术辅助工程力学教学，可以从以下方面入手。

2.1 利用仿真将抽象的概念可视化，引导学生深入理解理论知识

工程力学中有些概念很抽象，如静力学中约束的概念往往使学生很头疼，无法理解。通过ANSYS workbench软件中的边界条件设置来说明约束的概念及约束反力[8]。

工程力学的研究对象以梁、杆为主，梁杆约束以铰支和固支居多。有限元软件中的Fixed Support（固定约束），在顶点、边或面上约束所有的自由度，对于壳或梁，限制x，y和Z方向的平移和转动，对应的就是静力学中的固定端约束。约束杆移动需要施加力，由于杆移动的方向不确定，所以约束反力方向未定，可用一对正交力表示，正交力的方向假设。约束杆转动需要施加力偶，即约束反力偶，力偶矩的转向假设。软件中Simply support（简支约束），可施加在梁的边或顶点上，限制平移，但是所有旋转都是自由的，相当于静力学中的光滑圆柱约束。Displacement（位移约束），在顶点、边或面上约定已知的位移，输入“0”代表此方向上已被约束，即位移为零的方向必有一约束反力，对应光滑接触面约束。边界条件及载荷设置后，经仿真动画显示变形、位移结果，进一步阐明各约束及约束反力的特点。

2.2 利用仿真将力学问题形象化，帮助学生掌握杆件变形特点及应力应变分布规律

以往讲解扭转轴横截面上的应力及纯弯曲梁横截面上的正应力时，均通过实验观察其变形，研究变形几何关系，再由应变规律得出应力的分布规律，最后根据静力关系推导出应力的计算公式。公式推导过程既繁琐、又枯燥，大部分学生均无法接受。

采用仿真技术，通过软件仿真各种变形，软件可以直接生成动画，而且动画可以循环播放，这有助于更加清楚的反映变形特点。

利用软件可进一步仿真横截面上的应力类型、應力分布特点，如图1所示的纯弯曲梁横截面上正应力（Normal）的分布，图中很清楚地显示了截面中性轴处正应力最小（接近零）。截面上离中心轴越远，正应力的值越大，在中性轴两侧各点的正应力一正一负，表示一侧受拉，一侧受压，截面上下边缘各点正应力值最大。ANSYS workbench软件还能直接给出横截面上垂直于中性轴由上向下一直线上各点的正应力分布，如图2所示，该直线上各点的正应力由最上点的124.36MPa变化到最小点的-124.36MPa，呈线性分布，该直线与中性轴的交点处应力为零。有了这样的仿真结果，在教学中直接给出纯弯曲梁横截面上的正应力计算公式，略去了复杂公式的推导，形象直观，学生更易接受。同样可仿真扭转轴的变形及扭转轴横截面上的剪应力分布。

2.3 利用仿真软件定性分析力学问题，引导学生分析应力应变的影响因素

工程力学中压杆临界力概念抽象[1]，对临界力的影响因素及如何影响等问题学生无法理解，利用软件仿真能定性说明影响压杆临界力的主要因素有：杆的两端约束、杆的长度及杆的截面形状和尺寸等，进一步分析可以得出这些参数如何影响压杆的临界力的。可以通过软件计算出同一根压杆在不同的约束条件下其临界力的大小，对比说明杆两端约束对压杆临界力有影响，约束越强，其临界力越大。

若压杆的横截面形状不同，压杆材料、两端约束、压杆长度和横截面面积都一样，通过仿真求出压杆临界力，同样得到横截面形状不同，压杆临界力不同。由此引导学生进一步掌握欧拉公式。

2.4 利用仿真软件解答疑难问题

实际工程中的力学问题非常复杂，学生通常无从下手。借助软件仿真，可以帮助学生解决复杂的力学问题。如对于两端铰支的压杆，其横截面为矩形，现求此压杆的临界力。

通过软件仿真观察到该压杆会沿矩形偏的那侧弯曲失稳。因此计算临界力时，惯性矩的计算公式应为I=，而不是I=（b为矩形截面的宽度，h为截面的高度），同时告知学生这类压杆的截面应尽量做成对各截面形心轴惯心矩相近或相等的形状，如正方形、圆形等。

3 结束语

以上为仿真软件在工程力学教学中的应用实践，ANSYS workbench仿真软件仿真力学问题引入工程力学课程的教学是一种教学方法的创新，借助仿真可以使学生加深对工程力学课程及诸多抽象概念的理解，通过实践研究得到以下结论。

①借助软件仿真，可以将枯燥的力学概念可视化，由于软件操作的便利性，各种云图、动画可以直接由软件生成，这些结果可直接用于课堂教学，同时也可插入多媒体课件中，极大地丰富了教学资源。

②借助有限元仿真，略去了复杂的力学公式的推导，有效地节约了课堂时间。

③有限元仿真软件在授课中的辅助应用，使学生加深对课本知识的理解，弥补了理论和实验教学的不足，激发了学生的学习兴趣，提高了教学效果。

④有限元仿真技术是依赖于力学等多学科的理论和实践。在高职高专工程力学教学中，应作为教学的辅助，而不是引导教学，因为有限元理论是需要大量的数学、物理和力学等基础知识的。

参考文献：

[1]杨晓峰，刘全.工程问题导向型材料力学教学法改革与实践[J].力學与实践，2018，40（4）：442-445.