基于工程分析软件的高校力学教学改革研究

郑训臻

(长春建筑学院，吉林长春　130607)



基于工程分析软件的高校力学教学改革研究

郑训臻

(长春建筑学院，吉林长春130607)

摘要:根据高校力学课程的特点和教学中存在的问题，结合多种可靠性较高的工程分析软件在力学教学中的实例，从教学改革方面、提升教师自身专业素养、培养学生分析能力三方面，总结了工程分析软件对高校力学教学的益处。

关键词:有限元软件，力学课程，教学改革

1　高校力学课程的特点及教学中存在的问题

1．1高校力学课程的特点

力学课程核心是“三大力学”，包括理论力学、材料力学、结构力学，一般工程力学、土木工程、交通工程、桥梁工程等专业都会在培养计划中安排这三门课程，而对于由这三大力学衍生出来的建筑力学、工程力学等一般安排在机械、工程管理、材料、建筑学等专业的培养计划中，而对于水利、环境、暖通、给排水等专业还会安排流体力学课程。力学课程是大多数理工类专业的一门非常重要的专业基础课。学习力学课程的过程中，学生的分析能力、计算能力、想象能力都可以得到提升，而且有助于培养学生的逻辑思维和空间感，上述这些能力的培养和提升对于学生自身专业课的学习有推动和铺垫作用。

1．2力学教学中存在的问题

正是由于力学课程可以培养学生缜密的逻辑思维，使得力学课程对比其他的专业课体现出较高的难度。而且力学课程一般不小于60学时，持续时间较长，教师教授的内容也较多，有些知识也比较抽象。比如，在理论力学中涉及的运动学和动力学这两部分就要求学生要有把静止的图示装置想象出它们是如何运动的，动起来以后又是什么样子的能力;在材料力学的组合变形部分，学生要根据构件的受力情况，想象出构件发生两种或两种以上的变形后的大致情况，并分析出危险截面和危险点;在结构力学的位移法这一部分，学生要能分析出所研究的杆系结构大致的变形，以判断杆段上是否有弯矩的存在。在教材上和大部分教师的课件中，学生看到的往往是工程问题的计算简图较多，而工程实例较少，静止的图示较多，动态的素材较少，造成学生对力学课程的学习感到无趣，不清楚学习力学的目的，不了解自己所学的力学知识能够解决怎样的工程实际问题，力学的相关课程无论是对于教授的教师还是接受知识的学生来说都充满挑战和探索。

2　常见有限元软件运用在力学教学中的实例

随着多媒体技术已经广泛走进高校课堂，同时很多可靠性较高的工程分析软件不断涌出，教师可以结合自己所擅长的研究领域和所要教授的力学知识对应地将部分力学模型引入课堂，这不仅可以使学生真真正正地接触到工程的实例，而且可以开阔学生的眼界，使学生认识到教材和教师描绘的抽象的概念和定理在实际工程中可以发挥如此大的作用。下面结合不同应用软件模拟的实例，说明在力学教学中引入工程分析软件的必要性和实用性。

2．1ANSYS有限元软件运用在桁架桥部分的实例

下承式简支钢桁架桥长72 m，每个节段为12 m，桥宽10 m，高16 m。设桥面板为0．3 m厚的混凝土板。桁架杆件规格有三种，结构为简支桁架，跨中受一对集中载荷作用，各力大小为100 kN。通过ANSYS软件可以很直观、很方便的求出各个杆件的轴力(如图1所示)、结构的变形和位移以及结构的模态分析等相关的计算。桁架桥这部分的计算在理论力学、结构力学、建筑力学、振动力学的课程中都有涉及。

图1　各杆件的轴力云图

2．2ABAQUS有限元软件运用在梁的弯曲部分的实例

混凝土材质的简支梁全长2．5 m，梁横截面为矩形，高0．3 m，宽0．15 m，下部两端有垫块，上部距离梁两端0．85处也有两个小垫块，小垫块上有集中力的作用，集中力的大小为10 kN。运用ABAQUS软件可以在5 s的时间内计算出此梁发生弯曲时的弯矩、变形(如图2所示)、第一主应力、第三主应力、Mises应力(如图3所示)等云图，直观、快捷的找到危险截面和危险点，根据计算时间设置的不同，可以通过动画的形式反映变形的过程，还可改变钢筋骨架的形式，计算超筋梁和少筋梁的相关力学数据，三种情况进行对比教学。关于梁的弯曲这部分是材料力学和工程力学课程的重点和难点。

图2　梁的变形图

2．3其他工程分析(计算)软件在力学教学中的应用

FLUENT软件是计算流体力学中应用最为广泛、最为可靠的商用软件，它可以应用于流体力学的教学中，比如渗流问题，流体空间流线和迹线的绘制等。Matlab软件是比较成熟的数值分析软件，它可以求解复杂的力学方程，形成二维或三维的曲线、图像处理等，在理论力学教学中，运动学和动力学部分中有些力学方程求解比较复杂，但是Matlab通过可视化的交互界面为求解方程

图3　梁的Mises应力云图

Flac3D软件的应用可以嵌入土力学中对于边坡稳定性这部分的讲授中，土力学的课程计算一般以迭代为主，计算量较大，占用课堂时间较长，引入软件来讲解工程实例，有助于提高教学效果和效率［3］。此外，“BIM建筑信息模型”在最近几年迅速发展，在此模型中可以反映建筑全寿命周期中的所有信息，突破传统图纸的二维设计和不同阶段数据流通和修改的障碍，协调性好，模拟性高，随着BIM的不断扩充和完善，引入力学课堂的日子指日可待。

将工程分析软件应用到高校力学教学中的优势是显而易见的，一方面，这种教学方式可以将比较抽象的力学概念直接地展示给学生，如内力、应力、变形情况等，而且大部分软件都可以形成动画，使原本枯燥的力学问题变得“有声有色”;另一方面，软件的运用在提高教学效果、活跃课堂气氛的同时，还可以提高课堂上的时间利用率，丰富教学内容;最后，工程分析软件的引入让学生初步接触了相对较陌生的领域，使学生看到自身专业未来会接触的更广阔的天地，增强学生对日后专业课的好奇心。

3　工程分析软件在力学教学中的作用

3．1对于教学改革方面的作用

力学教学的难点在于课程内容的抽象性，逻辑性强，理论知识较为复杂，学生理解起来比较困难，学习力学目的较为模糊等。而在力学教学中若能引入工程实际问题或利用工程分析软件演示较为简单的力学模型，不仅使这门专业基础课更加贴近工程实际，展示力学用于研究中发挥的实际作用，而且丰富教学内容，比如构件(结构)变形的过程可以用动画展示，使学生更加体会到学习的目的不是应付考试，而是可以实实在在的解决工程实际问题。但是应该注意引入课堂的教学案例的选取不宜过难，计算时间不宜过长。还可以将工程计算软件的分析引入到力学第二课堂，比如我校每年开展的“鸡蛋的完美下落”力学趣味竞赛和“纸桥结构设计大赛”，在用实物制作之前，学生可以根据软件里模型便于修改、省时、省力、省财的特性，用掌握的分析软件和力学知识对预制作的结构进行分析计算，找到最适合的包装方法或结构形式，找到将力学理论的知识和软件操作能力转化为解决实际问题的途径。

3．2对于培养学生能力方面的作用

将工程分析软件引入力学课堂，首先，可以增长学生的见识、开阔眼界，培养学生学习力学的好奇心和逻辑分析能力，使学生了解自己学到的力学知识是如何运用到实际工程中的，如何解决工程中遇到的问题的;其次，可以在力学理论课程之外增设相关课程的设计课程，由教师设计出简单的题目，由学生自愿组成课题小组，使用教师给出的参考软件自学完成题目，力学教师可以给予适度的指导来帮助学生，在学生完成题目的过程中提高学生自学的能力、研究问题的能力、遇到困难独自解决的能力，为研究生阶段学习做铺垫;最后，上述过程有效地提高了学生工程分析软件的操作能力，大部分工程分析软件基于有限元的理论，大体的建模思路相同，通过掌握一个软件的建模过程，学生可以触类旁通地学习其他分析软件。

3．3对于教师自身专业素养方面的作用

将工程分析软件引入到力学教学中这一措施，可以督促教师站在自身所学专业的角度学习较新的软件知识、更新专业知识，可以倒逼教师不断进行学习，在提倡培养学生创新意识的背景下，跟上时代的发展，做到与时俱进，只有教师能够把学科最前沿的知识融入课堂、传授给学生，才能有助于创新人才的培养，有助于学生打开学习力学的思路，明确学习力学的目的，一改以往学生对力学学习的抵触心理，对于教师自身来说，不仅丰富了教学方法，而且有助于提升科研能力，一举两得。

4　结语

随着科技时代的迅猛发展，工程分析软件融入力学教学是必然趋势。高校力学教师承担着力学教学改革的重大课题，并且有责任让学生在力学课堂上接触到前沿的工程问题和解决问题的方法，这不仅可以使学生明白掌握力学知识的目的，增强学生学习力学的兴趣，使枯燥的力学课堂变得生动，为后续专业课学习打下良好的基础，同时可以锻炼学生自学工程分析软件，培养学生遇到实际问题如何进行力学分析和应用软件解决的能力。将工程分析软件引入力学教学这一举措，无论在课堂教学上还是在第二课堂的应用中都取得了不错的反响。

参考文献:

［1］张丽，白晶，王相和．Matlab软件在力学教学中的应用［J］．产业与科技论坛，2011，10(9):148-150．

［2］邵小军，刘永寿，岳珠峰．谈工科理论力学教学中数学工具的应用［J］．力学与实践，2007，5(29):68-69．

［3］王宇辉．岩土工程分析软件在本科土力学教学中的应用［J］．山西建筑，2015，34(41):236-238．

［4］郑捷庆，邹锋，张军．CFD软件在工程流体力学教学中的应用［J］．中国现代教育装备，2007(10):119-121．

中图分类号:G642．0

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0252-02

收稿日期:2016-04-09

作者简介:郑训臻(1987-)，女，助教带来方便，此软件可以用于求解势能曲线问题、碰撞问题等，尤其是非线性的问题［1，2］。

Reform research of mechanical teaching based on the software of engineering analysis in colleges

Zheng Xunzhen
(Architectural Institute of Changchun，Changchun 130607，China)

Abstract:In this paper，according to the characteristics of the mechanics course in colleges and the problems of the existing in teaching，combined with mechanics teaching examples of a variety of high reliability engineering analysis software，from the aspects of reform of teaching，improve teachers’professional accomplishment，the analysis ability to the student，sum up which is the benefit of mechanics teaching．

Key words:finite element software，mechanics course，teaching reform