將ANSYS引入材料力學課堂的教學實踐

1、將ANSYS引入材料力學課堂的教學實踐摘要材料力學的傳統(tǒng)課堂教學著力于公式的理論推導，內(nèi)容相對枯燥；而實驗課難以與課堂教學 同步進行，且無法直觀給出除變形以外的其他信息。為提高課堂教學效果，將ANSYS引入材料力學的 課堂教學中，通過動畫和云圖的方式生動形象地給出材料力學各類變形問題中變形和應力情況，結(jié)合理 論公式同步講解，不僅可以加深學生對各類力學概念、知識點以及公式的認識和理解，而且可以激發(fā)學 生的學習興趣和創(chuàng)新性思維，有助于工程應用型人才的培養(yǎng)。關(guān)鍵詞材料力學，教學改革，工程應用型人才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、力學是各類工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，理 論性較強。傳統(tǒng)課堂教學著力于公式的理論推導, 內(nèi)容相對枯燥，學生學習興趣不高，教學效率較低; 而實驗課難以與課堂教學同步進行，且無法直觀給 出除變形以外的其他信息，同時學生難以將實驗內(nèi) 容和課本知識相結(jié)合，同樣教學效果不佳。因此, 如何提高材料力學的教學效果一直是力學教學改革 中的熱點之一。特別是在目前專業(yè)改革的大環(huán)境之 下，材料力學課程的教學課時一直在被壓縮，因此 材料力學教學難度在不斷地增加。與此同時，教育 部明確提出要建立學校教育和實踐鍛煉相結(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之一。錢 學森曾強

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

7、材料力學中 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)，導致需要學生理解 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意義。其次，材料力學中公式復雜且易混淆。以胡克 定律為例，材料力學課程前接課程中胡克定律的概 念是f = kx，而在材料力學課程學習中，胡克定 律則為由材料本構(gòu)關(guān)系組成的、根據(jù)實際情況不同 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力狀態(tài)下的胡克定律兩 種；而在平面應力狀態(tài)中，胡克定律更是由6個方 程組成的方程組。此類公式顛覆了學生在過去多年 學習中

8、的知識積累和儲備，而且材料力學大量的知 識點互為關(guān)聯(lián)，不便于學生理解和記憶，增加了教 學的難度。同時，材料力學所涉及的變形問題未在高中物 理、大學物理以及理論力學中出現(xiàn)過，學生要在短 時間內(nèi)接受研究對象為非剛體，難度較大，而目前 傳統(tǒng)的教學方法一般依靠教師口頭講述以及補充身 邊實例的方式來彌補理解上的困難，但此類方法實 例或過于簡單、或不夠生動形象，有時需要從復雜 的實例中剝離知識點，浪費時間且容易混亂學生的 思路、不便于學生的理解和接受。2將ANSYS引入材料力學教學的意義ANSYS是目前常見的通用有限元分析軟件I6， 其強大的后處理模塊可以直觀地反映計算模型的變 形、應力、應變等信息，因此

9、，在材料力學課堂教 學中引入ANSYS，有利于將各類力學概念通過云 圖直觀地表達出來，結(jié)合ANSYS云圖可以生動形 象地對各種力學概念、知識點以及力學公式進行講 解，可以很好地彌補材料力學理論課程中脫離實際、 不利于學生理解和接受的缺陷，既可豐富教學內(nèi)容、 提升學生的學習興趣，又便于學生直觀地了解材料 力學的工程應用，激發(fā)學生創(chuàng)新思維能力，提高學 生的工程應用能力。3實例分析3.1軸向拉伸問題該例為ANSYS在低碳鋼軸向拉伸教學中的應 用。該問題為材料力學的基本問題之一，也是材料 力學實驗中的基本實驗之一。簡單的課本講解較為 枯燥，學生難以理解；而在拉伸實驗過程中，實驗 過程相對較短，學生往往

10、對拉伸過程中的構(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 的應力變化情況。引入ANSYS分析模擬，通過不同 時刻的應力云圖，可以直觀地顯示試件在拉伸過程 中的應力變化情況，進一步通過變形動畫可以形象 地給出試件在整個拉伸過程中的變形和應力云圖, 可以提高學生的學習興趣和加深學生的理解。低碳鋼拉伸試件模型，如圖1所示，其幾何構(gòu) 形與材料力學實驗中保持一致，其中do = 20mm, r = 5mm, lo = 5do, l = 6do，圖中虛線框為加持段。 所用軟件為ANSYS 14.5,所用模塊為LS-DYNA顯 示動力學分析。選取低碳鋼的本構(gòu)模型為雙線性各 項同性硬化模型，其中：材

11、料密度p = 7 800kg/m3, 彈性模量E = 200 GPa，泊松比 = 0.3,屈服應力 ay = 235 MPa,切線模量6000MPa采用二維軸對 稱模型，在04 s時間段內(nèi)，對左右兩端虛框所示 的加持段內(nèi)緩慢施加軸向拉伸位移，最大位移量達 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，同時應力分布不再均 勻，而是在頸縮區(qū)域具有較大應力分布，可幫助學 生更直觀地理解軸向拉壓實驗的應力應變曲線，觀 察力與變形的關(guān)系等，同時使學生對具體工程問題 的應力集中現(xiàn)象有具體的分析對象，加強了課程與 工程實際的聯(lián)系。圖2圖2低碳鋼軸向拉伸ANSYS分析動畫二維碼圖2給出了低碳

12、鋼軸向拉伸ANSYS分析動畫 二維碼，通過手機掃描二維碼可以直觀地觀察構(gòu)件 在整個拉伸過程中的變形和應力云圖；圖3給出了 典型時刻下，ANSYS給出的構(gòu)件的變形和應力云 圖，可以清晰給出各個時刻下應力云圖的變化情況。 同時，可以看到：在初始時刻中間lo段的應力分布 較為均勻，便于學生理解試驗構(gòu)件必須按相關(guān)規(guī)定 進行制作和選取的原因；隨著位移的進一步增大,圖3不同時刻下構(gòu)件的變形和應力云圖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 材料力學實驗中保持一致，其中d0 = 10 mm, r = 10 mm, lo = 5do, l = 7do，圖中虛線框為加 持段。分析軟件為ANSYS

13、14.5，所用模塊為LS- DYNA顯示動力學分析，低碳鋼的本構(gòu)模型為各項 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時間段內(nèi)，對左右兩端虛框 所示的加持段內(nèi)緩慢施加角位移，最大位移量達 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)問題的動畫 二維碼，通過手機掃描二維碼可以直觀地觀察圓柱 在整個扭轉(zhuǎn)過程中的變形和應力云圖；圖6給出了 幾個典型時刻下，ANSYS給出的構(gòu)件的變形和應 力云圖，可以清晰給出各個時刻下變形和應力的分 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力的分布云圖。 通過圖7可直觀地表示出切應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)問題中的切應力分布情況及變形情況 展現(xiàn)在學生面前。圖5圓柱扭轉(zhuǎn)ANSYS分析動畫二維碼圖7圓柱中心截面扭轉(zhuǎn)切應力云圖3.3簡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、維平面應力模型，集中力 F = 300kN，在圖示梁左右兩端位置施加簡支 約束。FF IlI圖8梁彎曲模型圖9和圖10分別給出了簡支梁整個模型和 簡支梁中間純彎曲部分的變形和正應力云圖, 可以直觀地顯示正應力隨梁高度的線性變化, 方便學生對應力求解公式。=Fay/Iz的理解。 可以看出：梁下端面的拉應力分布較為均勻,圖6不同時刻下圓柱扭轉(zhuǎn)變形和切應力云圖圖9整個梁模型的彎曲變形和應力分布圖10圖10中間純彎曲段梁的彎曲變形和應力分布各類變形的整個過程以及應力的分布情況，可以更 好、更快地把握課程中各力學概念之間的關(guān)系；同 時，彩色動畫和云圖的趣味性可促進學生的學習積 極性，加深學生的記憶和理解，并激發(fā)學生擴展課 堂知識的熱情，理論聯(lián)系實際，提高了學生的工程 應用意識和創(chuàng)新性思維意識，提高了教與學的效果。最大值為229 MPa,與理論