CAE仿真技术在工程力学教学中的应用

刘晓慧

【摘要】工程力学是机械类及近机械类专业的重要专业基础课。对于高职学生来说，工程力学概念抽象，公式深奥，学习困难，缺乏积极性。此外，工程力学教学时数减少，学生综合素质下降。如何在有限的课时内达到预定的教学效果，是每个工程力学教师面临的一大难题。随着计算机技术的发展，仿真软件越来越丰富。ANSYS是利用workbench有限元分析软件辅助工程力学教学，有效地帮助学生理解课程中抽象的概念，自动生成云图和动画，显示构件受力后的变形和应力分布情况，定性分析了应力应变的影响因素，省去了繁琐的公式推导，节省了课堂时间，提高了学习效率，取得了良好的教学效果。

【关键词】CAE仿真技术;工程力学;教学应用

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。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。

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，正交力的方向假設。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、应力分布特点，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，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

工程力学中中压杆的临界力概念比较抽象，学生对临界力的影响因素及如何影响还不清楚。通过软件模拟，可以定性地解释影响压杆临界力的主要因素有：杆两端的约束、杆的长度、杆截面的形状和尺寸等，进一步分析这些参数对压杆临界力的影响。软件可以计算同一压杆在不同约束条件下的临界力。比较表明，杆两端的约束对压杆的临界力有影响。约束越强，临界力越大。

如果压杆截面形状不同，则压杆材料、两端约束、压杆长度和截面面积相同。通过仿真计算了压杆的临界力，结果表明：截面形状不同，压杆的临界力不同。因此，指导学生掌握欧拉公式。

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 ，而不是 （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。

结论：

以上是仿真软件在工程力学教学中的应用实践。将ANSYS workbench仿真软件引入工程力学教学，是教学方法的一种创新。借助于模拟，学生可以加深对工程力学课程和许多抽象概念的理解。通过实际研究得出以下结论。（1）通过软件仿真，实现了镗削机械概念的可视化。由于软件操作的方便，各种云图片和动画都可以通过软件直接生成。这些结果可以直接应用于课堂教学，也可以嵌入到多媒体课件中，极大地丰富了教学资源。（2）借助有限元模拟，省去了复杂力学公式的推导，有效地节省了课堂时间。（3）有限元仿真软件在教学中的辅助应用，可以加深学生对教材知识的理解，弥补理论和实验教学的不足，激发学生的学习兴趣，提高教学效果。（4）有限元仿真技术依赖于力学等学科的理论和实践。在高职高专工程力学教学中，由于有限元理论需要大量的数学、物理、力学等基础知识，故应将其作为辅助而不是指导。

参考文献：

[1]谭邹卿，蒋学东，何云松，班书昊，席仁强.ADAMS仿真技术在理论力学教学中的实践与探索[J].教育现代化，2019，6（96）：195-197+216.

[2]刘鸿莉，吕海霆，刘军，程瑞.CAE仿真技术在本科机械基础专业课教学中的应用[J].机械设计与制造工程，2017，46（06）：120-122.