CAE在強度理論教學中的應用*

李 琳 徐 巖 王曉紅 朱曉明 趙曉麗 謝韶旺

哈爾濱工程大學 黑龍江哈爾濱 150001

CAE在強度理論教學中的應用*

李 琳 徐 巖 王曉紅 朱曉明 趙曉麗 謝韶旺

哈爾濱工程大學 黑龍江哈爾濱 150001

本文提出了強度理論全程動態(tài)學習的理念，借助UG-CAE模塊的實踐教學，進一步強化了學生對材料力學中應力與強度理論的理解，實現(xiàn)了強度理論與CAE案例教學的有機融合，增強了學生處理工程問題的力學能力。

CAE；強度理論；教學

在市場經(jīng)濟大潮下，高等教育的辦學觀念也要與時俱進，此種形勢下，如何實現(xiàn)力學課程與學生工程意識培養(yǎng)的良好銜接成為一個急待解決的課題。我們提出了材料力學中強度理論的動態(tài)全過程學習的理念，即完成材料力學必修課后，通過CAE案例分析的實踐環(huán)節(jié)，幫助學生激活所學的強度理論，實現(xiàn)強度理論的全程動態(tài)學習。

Unigraphics,簡稱UG，是德國西門子集團公司集CAD/CAM/CAE于一體的軟件集成系統(tǒng), 它涉及產(chǎn)品設計、仿真和制造開發(fā)過程中的各個環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)數(shù)字化的產(chǎn)品開發(fā)，能夠完成大學一、 二、 三、四年級相關課程的教學實踐。

作為全校學生的實踐基地，我們基于UG平臺，面向大三、大四學生開設了三維機械設計課程，此時的學生已經(jīng)完成了理論力學、材料力學等力學基礎課程的學習。但是我們在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，雖然學生完成了這些力學課程的理論學習，但在對實際零件進行強度校核中，面對一個零件的CAE分析結果，該如何選擇合適的強度準則，仍然顯得無所是從，也就是缺乏對強度理論的工程認識，這無疑會影響學生在就業(yè)市場上的競爭力。如何實現(xiàn)理論課程與實踐教學的有機融合，成為一個值得探索的領域。

應力理論及強度理論是材料力學中的一個重要部分。高等學校材料力學教材中一般給出4種強度理論，即最大拉應力理論、最大拉應變理論、最大剪應力理論和形狀改變比能理論。各強度理論都有其一定的適用范圍，因而學生在強度理論的選用時，往往會產(chǎn)生困惑。尤其對于大學低年級學生而言，這部分內(nèi)容抽象，基本概念和推導方法枯燥難懂，而且沒有相關的工程背景支持，較難理解這部分理論在工程實踐中的重大意義，即使學完了相關理論也無法建立清晰的工程意識。

針對這一問題，我們在三維機械設計課程的實踐教學中，通過對具體零件的有限元計算，借助UG-CAE模塊，剖析強度理論的概念和實質(zhì)，分析各個強度理論的側(cè)重點和工程應用范圍，使學生通過對零件的仿真分析實戰(zhàn)，掌握強度理論的相關背景知識和分析方法，逐步理解強度理論的提出。通過對每個分析實例結果的深入剖析，使學生對強度理論有了更深層次的認識，不僅能知其然，更重要的是能知其所以然，這對于1個學生的求學歷程而言是彌足珍貴的。

UG-CAE后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、立體切片顯示(可顯示零件的內(nèi)部結構)等圖形方式顯示出來 (如圖1所示)。

圖1 UG高級仿真計算得到的零件不同截面的應力值

從圖1中可以看到不同強度理論對應的零件不同截面的應力值及其他仿真結果，并且可以動態(tài)展示零件的變形情況。同時可以很方便地設置不同材料、不同載荷及約束，使學生能認識到不同破壞形式對應有不同的強度理論，通過多工況的對比，使學生對原本抽象的、公式化的強度理論有了更感性、更深刻的認識,收到事半功倍的教學效果，幫助學生建立相應的力學概念。通過對零件的CAE仿真分析,促進了學生對應力理論和強度理論的深入理解,變被動為主動,有意識地強化了強度理論的學習,實現(xiàn)了強度理論的動態(tài)學習,逐漸使學生認識到了教科書上依據(jù)強度理論建立的各種強度條件所具有的實踐意義和應用價值。

通過實踐環(huán)節(jié)的教學，激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識及主動學習的能力，培養(yǎng)了學生的學習興趣及實踐動手能力，提高了學生分析問題和解決問題的能力，把“力學必修課程”變?yōu)椤拔蚁雽W，我想知道為什么”的自主學習課堂，大大提高學生的學習效率，使學生的綜合素質(zhì)得到提升。

學生通過CAE案例分析中很自然地完成認識——實踐——再認識的完整認識鏈，這有助于學生系統(tǒng)扎實地掌握機械設計及相關力學知識，提升學生現(xiàn)場實戰(zhàn)能力，增強學生在就業(yè)市場上的競爭力。在教學實踐中我們發(fā)現(xiàn)，通過UG-CAE模塊的教學，學生對強度理論認識，逐步由感性認識上升到理性認識，進一步加深對材料力學相關概念的認識。教學實踐表明CAE案例分析是實現(xiàn)理論與實踐聯(lián)系的一個關鍵環(huán)節(jié)。

[1]楊鼎寧，鄒經(jīng)湘，蓋登宇.計算機輔助工程(CAE)及其發(fā)展[J].力學與實踐，2005，27(3):7

[2]章泳健.面向應用的有限元分析課程的導入及教學實踐[J].常熟理工學院學報(教育科學),2009，6:116

[3]吳妽妽.關于第三、四強度理論的教學探討[J].力學與實踐,1995，17(1):64

Application of CAE in cheory of strength teaching

Li Lin, Xu Yan, Wang XiaoHong, Zhu Xiaoming, Zhao Xiaoli, Xie Shaowang
Harbin eingineering university, Harbin, 150001, China

Based on the experience in UG-CAE course practice teaching, dynamic teaching methods of theory of strength are put forward in this paper. Inosculating of CAE project teaching and theory of strength, it makes the students to grasp the basic mechanical knowledge of Engineering problem and to strengthen the understanding of stress and theory of strength.

CAE; theory of strength; practice teaching

2009-10-12

李琳，博士，講師。

*本文系哈爾濱工程大學基礎研究基金(HEUFT08015)及哈爾濱工程大學教學改革工程立項《工程問題導向的CAE實踐教學研究》。