基于Abaqus有限元分析軟件的材料力學(xué)輔助教學(xué)

1、基于Abaqus有限元分析軟件的材料力學(xué)輔助教學(xué)摘要:該文介紹了 Abaqus有限元分析軟件在材料力學(xué)課程教學(xué)中的輔助應(yīng)用，利用該軟件可以分析材料 力學(xué)中的一些復(fù)雜的應(yīng)力分析問題，方便直觀。該軟件功能強(qiáng)大，使用方便，對(duì)于分析材料力學(xué)中構(gòu)件的應(yīng) 力和變形問題有很大的優(yōu)勢(shì)。因此可以推廣使用Abaqus有限元分析軟件來輔助材料力學(xué)課程教學(xué)。 關(guān)鍵詞:Abaqus；材料力學(xué)；應(yīng)力分析Abstract:Were introduced in this paper using Abaqus finite element analysis software in the material and the sp

2、ecific application,the problem that the software can be used to analyze the complicated stress analysis,prob- lems in mechanics materials,convenient and accurate.The software is powerful,easy to use,in the analysis of stress and deformation components in material mechanics problems has a great advan

3、tage.So can promote the use of Abaqus finite elementanalysis software to analyze and solve the problem of stress and strain ofme- chanics ofmaterials.Key words:Abaqus;mechanics ofmaterials;stress analysis0概述材料力學(xué)是機(jī)械、土建、交通等本科專業(yè)的一門十 分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，為后續(xù)開設(shè)的機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制 造技術(shù)等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的力學(xué)分析基礎(chǔ)，并 且在工程技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。材料力學(xué)的任

4、務(wù)就是在 滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求下，為設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)又安 全的構(gòu)件，提供必要的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法田。材料力學(xué) 具有計(jì)算量大、理論復(fù)雜、概念抽象、邏輯性強(qiáng)的特點(diǎn)。 所以對(duì)學(xué)生的高等數(shù)學(xué)知識(shí)和抽象思維能力要求較高。 在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在學(xué)生普遍數(shù)學(xué)功底欠缺，理解 分析問題比較困難，而學(xué)習(xí)的目的是為了解決問題，但 是實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)，往往比較復(fù)雜，學(xué)生難以利用理論 公式完成實(shí)際復(fù)雜工程問題的力學(xué)分析。而實(shí)際的實(shí)驗(yàn) 研究，成本大、耗時(shí)長(zhǎng)，無(wú)論從經(jīng)費(fèi)還是時(shí)間上都不太 容易實(shí)現(xiàn)，慢慢地學(xué)生會(huì)失去了學(xué)習(xí)的興趣P。而借助 Abaqus有限元軟件，只要建好模型，設(shè)置好材料屬性以 及合理的邊界和載荷條件,就可利

5、用軟件對(duì)其進(jìn)行全自 動(dòng)分析與計(jì)算，得到想要的結(jié)果。Abaqus的材料屬性以 及結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析與材料力學(xué)密切相關(guān),可將力學(xué)中涉 及的研究對(duì)象的內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變及強(qiáng)度準(zhǔn)則等概念模 擬出來，以圖表和圖形的形式直觀形象的展示給學(xué)生， 便于學(xué)生的理解。在分析過程中，學(xué)生能夠針對(duì)存在的 力學(xué)知識(shí)缺乏問題或者是軟件操作問題,又能查閱各種 資料,促進(jìn)其自學(xué)的能力。因此,將Abaqus有限元分析 軟件作為材料力學(xué)課程教學(xué)中輔助工具具有重要的現(xiàn) 實(shí)意義。據(jù)了解，已有多位專家老師對(duì)有限元軟件技術(shù)應(yīng)用 到材料力學(xué)課程教學(xué)中，有了相一些前期研究，如：羅彩 霞團(tuán)等人將ANSYS有限元軟件運(yùn)用到材料力學(xué)課程教 學(xué)中，通過材

6、料力學(xué)的開孔薄板的應(yīng)力集中問題和懸臂 梁在不同載荷作用下的最大撓度和截面應(yīng)力分布，做了 相應(yīng)的有限元實(shí)例分析。將枯燥的理論性文字描述，利 用有限元分析軟件進(jìn)行模擬，得到直觀形象的圖形，可 以幫助學(xué)生更好地理解理論概念，提高了教學(xué)效果。孫 毅囹等人則將材料力學(xué)當(dāng)中的力學(xué)實(shí)驗(yàn)部分引入ANSYS 有限元軟件，利用數(shù)值分析,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì) 常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法和有限元分析方法進(jìn)行比對(duì)分析,使學(xué)生 能夠?qū)⒉牧狭W(xué)性能試驗(yàn)有了更深入的理解。張小安囹 則通過使用ANSYS有限元軟件將基本變形中的扭轉(zhuǎn)變 形過程再現(xiàn)，并為后續(xù)推導(dǎo)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力公式做好鋪墊， 運(yùn)用有限元技術(shù)啟發(fā)學(xué)生邏輯思維以及通過實(shí)例導(dǎo)入 來深化

7、學(xué)生的認(rèn)知。所以在材料力學(xué)課程教學(xué)中運(yùn)用有 限元分析軟件進(jìn)行輔助教學(xué)是一種新的材料力學(xué)教學(xué) 策略。1 Abaqus軟件介紹回Abaqus被廣泛的認(rèn)為是一款功能強(qiáng)大的工程模擬 有限元軟件,其解決問題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析 到許多復(fù)雜的非線性問題。Abaqus包含豐富的材料模 型庫(kù)，可以對(duì)各種典型的工程材料的力學(xué)性能進(jìn)行模擬。 Abaqus軟件應(yīng)用范圍非常廣泛，不僅能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、準(zhǔn)靜 態(tài)、瞬態(tài)、模態(tài)、彈塑性、屈曲以及沖擊和爆炸等各種類 型的分析，還能對(duì)流固耦合、聲固耦合、熱固耦合、壓電、 熱電和質(zhì)量擴(kuò)散等進(jìn)行有效地分析。Abaqus具有強(qiáng)大的分析功能，既可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的 線性分析，還可以進(jìn)行復(fù)雜的

8、高度非線性的分析，從單 個(gè)零件的力學(xué)分析到復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)多物理場(chǎng)的分析，都 可以有效地進(jìn)行，復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)的多物理場(chǎng)分析是其他 軟件難以比擬的。因此,Abaqus被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制 造、水利工程及航空航天等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。2Abaqus軟件在材料力學(xué)教學(xué)工作中的優(yōu)勢(shì)材料力學(xué)主要研究?jī)?nèi)容是構(gòu)件在力作用下產(chǎn)生的 各種變形以及失效等問題的規(guī)律。內(nèi)容中涉及到大量公 式，邏輯性較強(qiáng)，計(jì)算量較大，較多問題還涉及到微積分 知識(shí),學(xué)生對(duì)于知識(shí)的掌握和計(jì)算都存在問題。Abaqus 軟件針對(duì)具體問題進(jìn)行建模，并將構(gòu)件的受力、約束等 內(nèi)容進(jìn)行有效的模擬，最終將數(shù)據(jù)可視化，將抽象的知 識(shí)變?yōu)榫唧w的，直觀的圖形圖表,表現(xiàn)形

9、式便于學(xué)生理 解和接受。Abaqus軟件通過建模對(duì)構(gòu)件實(shí)際情況進(jìn)行 模擬，使學(xué)生在一種真實(shí)的環(huán)境下學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的 實(shí)踐能力，也很大程度上調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提 高了教學(xué)質(zhì)量叫 學(xué)生掌握了 Abaqus軟件，不僅對(duì)于學(xué) 習(xí)材料力學(xué)有很大幫助，還培養(yǎng)并提高其解決實(shí)際問題 的能力，同時(shí)也為走向設(shè)計(jì)工作崗位奠定了基礎(chǔ)。3實(shí)例分析材料力學(xué)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)是為了更好地服務(wù)于實(shí) 際工作。在掌握了 Abaqus軟件的各項(xiàng)功能之后，可以結(jié) 合具體例子加深對(duì)材料力學(xué)分析的認(rèn)識(shí)。比如軸對(duì)稱結(jié) 構(gòu)分析是有限元分析方法最常用處理的分析類型之一。 很多機(jī)械工程、土建結(jié)構(gòu)，如建筑物、飛機(jī)機(jī)身、車身骨 架、船舶結(jié)構(gòu)、活

10、塞、傳動(dòng)軸等都可以當(dāng)成軸對(duì)稱問題處 理。特別是薄壁件是一類廣泛應(yīng)用的零件,其剛度較小, 在加工過程中容易出現(xiàn)變形較大、加工精度難以保證。 因此，論文將Abaqus有限元軟件與材料力學(xué)課程教學(xué) 相結(jié)合，以薄壁軸對(duì)稱零件為例分析其加工過程中的受 力，分析結(jié)果將為改進(jìn)刀具路徑設(shè)計(jì)和加工工藝提供分 析數(shù)據(jù)。假設(shè)薄壁圓筒如圖1所示。其壁厚均勻，為0.01m。 材料為低碳鋼，彈性模量為2E5MPa,泊松比為0.3,假定 刀具在三個(gè)不同切削位置時(shí)，切削力沿徑向分量為 -E000N,軸向分量為4000N,切向分量為1000N，要求對(duì) 該結(jié)構(gòu)在切削過程中的應(yīng)力進(jìn)行分析隊(duì)圖1薄壁圓筒形工件薄壁圓筒試樣模擬在加工過程中取了上中下三個(gè) 受力點(diǎn)。采用Abaqus有限元分析軟件對(duì)薄壁圓管試件 進(jìn)行應(yīng)力分析，比較其Mises應(yīng)力云圖（如圖2所示）和 Mises應(yīng)力曲線（如圖3所示），二者符合性較好。分析結(jié) 果表明：著力點(diǎn)處應(yīng)力值最大，距離著力點(diǎn)越遠(yuǎn)應(yīng)力呈 減小的趨勢(shì),這與加工中薄壁圓筒受力點(diǎn)處容易發(fā)生較 大變形的結(jié)果是相符合的。(a)(b)(c)(b)(c)4結(jié)論材料力學(xué)課程相對(duì)其它課程更抽象，理論易懂，分 析難。關(guān)鍵是對(duì)各種實(shí)際情況無(wú)法做到詳細(xì)分析。而采 用Abaqus