將ANSYS引入材料力學(xué)課堂的教學(xué)實(shí)踐

1、將ANSYS引入材料力學(xué)課堂的教學(xué)實(shí)踐摘要材料力學(xué)的傳統(tǒng)課堂教學(xué)著力于公式的理論推導(dǎo)，內(nèi)容相對(duì)枯燥；而實(shí)驗(yàn)課難以與課堂教學(xué) 同步進(jìn)行，且無法直觀給出除變形以外的其他信息。為提高課堂教學(xué)效果，將ANSYS引入材料力學(xué)的 課堂教學(xué)中，通過動(dòng)畫和云圖的方式生動(dòng)形象地給出材料力學(xué)各類變形問題中變形和應(yīng)力情況，結(jié)合理 論公式同步講解，不僅可以加深學(xué)生對(duì)各類力學(xué)概念、知識(shí)點(diǎn)以及公式的認(rèn)識(shí)和理解，而且可以激發(fā)學(xué) 生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新性思維，有助于工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。關(guān)鍵詞材料力學(xué)，教學(xué)改革，工程應(yīng)用型人才ANSYS AND TEACHING OF MECHANICS OF MATERIALS1)Abstra

2、ct The traditional classroom teaching of Mechanics of Materials focuses on the theoretical derivation of formulas, with relatively boring effect. The experimental classes cannot coordinate with the theoretical course, and it is impossible to show the other information than the deformation of the spe

3、cimen. In order to improve the teaching efficiency, ANSYS is introduced into the classroom of mechanics of materials. Through the animation and contour figures, the deformation and the stress of the basis problems of Mechanics of Materials are presented. With the theoretical formula, it can not only

4、 deepen the students understanding of various mechanical concepts, knowledge points and formulas but also stimulate students learning interest and innovative thinking. It is helpful for the cultivation of engineering talents.Key words mechanics of material, teaching reformation, engineering talent材料

5、力學(xué)是各類工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，理 論性較強(qiáng)。傳統(tǒng)課堂教學(xué)著力于公式的理論推導(dǎo), 內(nèi)容相對(duì)枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，教學(xué)效率較低; 而實(shí)驗(yàn)課難以與課堂教學(xué)同步進(jìn)行，且無法直觀給 出除變形以外的其他信息，同時(shí)學(xué)生難以將實(shí)驗(yàn)內(nèi) 容和課本知識(shí)相結(jié)合，同樣教學(xué)效果不佳。因此, 如何提高材料力學(xué)的教學(xué)效果一直是力學(xué)教學(xué)改革 中的熱點(diǎn)之一。特別是在目前專業(yè)改革的大環(huán)境之 下，材料力學(xué)課程的教學(xué)課時(shí)一直在被壓縮，因此 材料力學(xué)教學(xué)難度在不斷地增加。與此同時(shí)，教育 部明確提出要建立學(xué)校教育和實(shí)踐鍛煉相結(jié)合的創(chuàng) 新人才培養(yǎng)模式，探索并推行創(chuàng)新型教育方式方法, 培養(yǎng)創(chuàng)新研究型人才成為高校教育重點(diǎn)之一。錢 學(xué)森曾強(qiáng)

6、調(diào)“今日力學(xué)是一門用計(jì)算機(jī)去回答一切 宏觀的實(shí)際可行技術(shù)問題”。雖然數(shù)值模擬在力學(xué) 教學(xué)中已有了初步的探索和應(yīng)用I3，但仍有待進(jìn) 一步研究。本文首先介紹材料力學(xué)的教學(xué)難點(diǎn)，并說明將 ANSYS引入材料力學(xué)課堂教學(xué)中的意義，進(jìn)而以 軸向拉伸、圓柱扭轉(zhuǎn)和梁彎曲問題為案例對(duì)具體教 學(xué)改革模式和實(shí)踐進(jìn)行探討，最后給出小結(jié)。1材料力學(xué)的教學(xué)難點(diǎn)材料力學(xué)課程涉及大量的、抽象的力學(xué)術(shù)語(yǔ)和 概念。以彎曲變形為例，課程內(nèi)容主要有彎曲內(nèi)力、 彎曲應(yīng)力及彎曲變形，涉及到彎矩、剪力、正應(yīng)力、 切應(yīng)力、慣性矩、轉(zhuǎn)角、撓度等較為復(fù)雜又抽象的 力學(xué)概念，學(xué)生難以很好地理解和掌握各個(gè)力學(xué)概 念以及他們各自之間的關(guān)系司。并且，

7、材料力學(xué)中 一部分概念有其專屬性，如扭矩只在扭轉(zhuǎn)變形中出 現(xiàn)，彎矩只在彎曲變形中出現(xiàn)，導(dǎo)致需要學(xué)生理解 和掌握的名詞成倍增加；彎曲變形中的撓度或撓曲 線概念，在沒有參照物的情況下，單從其名稱或概 念，無法正確地理解其力學(xué)意義。其次，材料力學(xué)中公式復(fù)雜且易混淆。以胡克 定律為例，材料力學(xué)課程前接課程中胡克定律的概 念是f = kx，而在材料力學(xué)課程學(xué)習(xí)中，胡克定 律則為由材料本構(gòu)關(guān)系組成的、根據(jù)實(shí)際情況不同 而不同的一系列方程組，如：在軸向拉壓中就有單 軸拉伸的胡克定律及單軸應(yīng)力狀態(tài)下的胡克定律兩 種；而在平面應(yīng)力狀態(tài)中，胡克定律更是由6個(gè)方 程組成的方程組。此類公式顛覆了學(xué)生在過去多年 學(xué)習(xí)中

8、的知識(shí)積累和儲(chǔ)備，而且材料力學(xué)大量的知 識(shí)點(diǎn)互為關(guān)聯(lián)，不便于學(xué)生理解和記憶，增加了教 學(xué)的難度。同時(shí)，材料力學(xué)所涉及的變形問題未在高中物 理、大學(xué)物理以及理論力學(xué)中出現(xiàn)過，學(xué)生要在短 時(shí)間內(nèi)接受研究對(duì)象為非剛體，難度較大，而目前 傳統(tǒng)的教學(xué)方法一般依靠教師口頭講述以及補(bǔ)充身 邊實(shí)例的方式來彌補(bǔ)理解上的困難，但此類方法實(shí) 例或過于簡(jiǎn)單、或不夠生動(dòng)形象，有時(shí)需要從復(fù)雜 的實(shí)例中剝離知識(shí)點(diǎn)，浪費(fèi)時(shí)間且容易混亂學(xué)生的 思路、不便于學(xué)生的理解和接受。2將ANSYS引入材料力學(xué)教學(xué)的意義ANSYS是目前常見的通用有限元分析軟件I6， 其強(qiáng)大的后處理模塊可以直觀地反映計(jì)算模型的變 形、應(yīng)力、應(yīng)變等信息，因此

9、，在材料力學(xué)課堂教 學(xué)中引入ANSYS，有利于將各類力學(xué)概念通過云 圖直觀地表達(dá)出來，結(jié)合ANSYS云圖可以生動(dòng)形 象地對(duì)各種力學(xué)概念、知識(shí)點(diǎn)以及力學(xué)公式進(jìn)行講 解，可以很好地彌補(bǔ)材料力學(xué)理論課程中脫離實(shí)際、 不利于學(xué)生理解和接受的缺陷，既可豐富教學(xué)內(nèi)容、 提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又便于學(xué)生直觀地了解材料 力學(xué)的工程應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維能力，提高學(xué) 生的工程應(yīng)用能力。3實(shí)例分析3.1軸向拉伸問題該例為ANSYS在低碳鋼軸向拉伸教學(xué)中的應(yīng) 用。該問題為材料力學(xué)的基本問題之一，也是材料 力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的基本實(shí)驗(yàn)之一。簡(jiǎn)單的課本講解較為 枯燥，學(xué)生難以理解；而在拉伸實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn) 過程相對(duì)較短，學(xué)生往往

10、對(duì)拉伸過程中的構(gòu)件形態(tài) 地變化情況印象較深，而無法了解拉伸過程中試件 的應(yīng)力變化情況。引入ANSYS分析模擬，通過不同 時(shí)刻的應(yīng)力云圖，可以直觀地顯示試件在拉伸過程 中的應(yīng)力變化情況，進(jìn)一步通過變形動(dòng)畫可以形象 地給出試件在整個(gè)拉伸過程中的變形和應(yīng)力云圖, 可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和加深學(xué)生的理解。低碳鋼拉伸試件模型，如圖1所示，其幾何構(gòu) 形與材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中保持一致，其中do = 20mm, r = 5mm, lo = 5do, l = 6do，圖中虛線框?yàn)榧映侄巍?所用軟件為ANSYS 14.5,所用模塊為L(zhǎng)S-DYNA顯 示動(dòng)力學(xué)分析。選取低碳鋼的本構(gòu)模型為雙線性各 項(xiàng)同性硬化模型，其中：材

11、料密度p = 7 800kg/m3, 彈性模量E = 200 GPa，泊松比 = 0.3,屈服應(yīng)力 ay = 235 MPa,切線模量6000MPa采用二維軸對(duì) 稱模型，在04 s時(shí)間段內(nèi)，對(duì)左右兩端虛框所示 的加持段內(nèi)緩慢施加軸向拉伸位移，最大位移量達(dá) 20 mm。圖1圖1低碳鋼軸向拉伸模型試件出現(xiàn)了明顯的頸縮現(xiàn)象，同時(shí)應(yīng)力分布不再均 勻，而是在頸縮區(qū)域具有較大應(yīng)力分布，可幫助學(xué) 生更直觀地理解軸向拉壓實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，觀 察力與變形的關(guān)系等，同時(shí)使學(xué)生對(duì)具體工程問題 的應(yīng)力集中現(xiàn)象有具體的分析對(duì)象，加強(qiáng)了課程與 工程實(shí)際的聯(lián)系。圖2圖2低碳鋼軸向拉伸ANSYS分析動(dòng)畫二維碼圖2給出了低碳

12、鋼軸向拉伸ANSYS分析動(dòng)畫 二維碼，通過手機(jī)掃描二維碼可以直觀地觀察構(gòu)件 在整個(gè)拉伸過程中的變形和應(yīng)力云圖；圖3給出了 典型時(shí)刻下，ANSYS給出的構(gòu)件的變形和應(yīng)力云 圖，可以清晰給出各個(gè)時(shí)刻下應(yīng)力云圖的變化情況。 同時(shí)，可以看到：在初始時(shí)刻中間lo段的應(yīng)力分布 較為均勻，便于學(xué)生理解試驗(yàn)構(gòu)件必須按相關(guān)規(guī)定 進(jìn)行制作和選取的原因；隨著位移的進(jìn)一步增大,圖3不同時(shí)刻下構(gòu)件的變形和應(yīng)力云圖3.2圓柱扭轉(zhuǎn)問題圓柱扭轉(zhuǎn)模型如圖4所示，幾何構(gòu)形同樣與 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中保持一致，其中d0 = 10 mm, r = 10 mm, lo = 5do, l = 7do，圖中虛線框?yàn)榧?持段。分析軟件為ANSYS

13、14.5，所用模塊為L(zhǎng)S- DYNA顯示動(dòng)力學(xué)分析，低碳鋼的本構(gòu)模型為各項(xiàng) 同性線彈性模型，其中：材料密度p = 7 800kg/m3, 彈性模量E = 200GPa，泊松比a = 0.3。采用三 維模型，在0O.lms時(shí)間段內(nèi)，對(duì)左右兩端虛框 所示的加持段內(nèi)緩慢施加角位移，最大位移量達(dá) 0.26 radol圖4圓柱扭轉(zhuǎn)模型圖5給出了 ANSYS所得圓柱扭轉(zhuǎn)問題的動(dòng)畫 二維碼，通過手機(jī)掃描二維碼可以直觀地觀察圓柱 在整個(gè)扭轉(zhuǎn)過程中的變形和應(yīng)力云圖；圖6給出了 幾個(gè)典型時(shí)刻下，ANSYS給出的構(gòu)件的變形和應(yīng) 力云圖，可以清晰給出各個(gè)時(shí)刻下變形和應(yīng)力的分 布和變化情況：（1）圓柱沿其中心軸線發(fā)生了

14、明顯的 扭轉(zhuǎn)變形；（2）切應(yīng)力在圓柱中間l區(qū)域段分布較為 均勻。圖7給出了圓柱中心截面切應(yīng)力的分布云圖。 通過圖7可直觀地表示出切應(yīng)力隨半徑的變化的情 況。課本只能展現(xiàn)平面問題，通過ANSYS可立體 地將三維扭轉(zhuǎn)問題中的切應(yīng)力分布情況及變形情況 展現(xiàn)在學(xué)生面前。圖5圓柱扭轉(zhuǎn)ANSYS分析動(dòng)畫二維碼圖7圓柱中心截面扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力云圖3.3簡(jiǎn)支梁彎曲問題梁彎曲模型如圖8所示，其中l(wèi) = 20 cm, h = 2 mm, a = 5 cm。 所用模塊為ANSYS靜力 分析模塊，材料本構(gòu)模型為線彈性，其中：材料 密度p = 7 800 kg/m3，彈性模量E = 200 GPa，泊 松比 =0.3。采用二

15、維平面應(yīng)力模型，集中力 F = 300kN，在圖示梁左右兩端位置施加簡(jiǎn)支 約束。FF IlI圖8梁彎曲模型圖9和圖10分別給出了簡(jiǎn)支梁整個(gè)模型和 簡(jiǎn)支梁中間純彎曲部分的變形和正應(yīng)力云圖, 可以直觀地顯示正應(yīng)力隨梁高度的線性變化, 方便學(xué)生對(duì)應(yīng)力求解公式。=Fay/Iz的理解。 可以看出：梁下端面的拉應(yīng)力分布較為均勻,圖6不同時(shí)刻下圓柱扭轉(zhuǎn)變形和切應(yīng)力云圖圖9整個(gè)梁模型的彎曲變形和應(yīng)力分布圖10圖10中間純彎曲段梁的彎曲變形和應(yīng)力分布各類變形的整個(gè)過程以及應(yīng)力的分布情況，可以更 好、更快地把握課程中各力學(xué)概念之間的關(guān)系；同 時(shí)，彩色動(dòng)畫和云圖的趣味性可促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積 極性，加深學(xué)生的記憶和理解，并激發(fā)學(xué)生擴(kuò)展課 堂知識(shí)的熱情，理論聯(lián)系實(shí)際，提高了學(xué)生的工程 應(yīng)用意識(shí)和創(chuàng)新性思維意識(shí)，提高了教與學(xué)的效果。最大值為229 MPa,與理論