CAE技術在力學課程教學中的推廣應用

摘 要 工程力學系列課程具有較強的理論性和廣泛的工程應用性的特點。為了促進學生學習工程力學系列課程的興趣和提高學生解決工程力學實際問題的能力，應該加強CAE技術在工程力學系列課程教學中的推廣應用。

關鍵詞 CAE技術 力學課程 推廣應用

中圖分類號：G423 文獻標識碼：A

The CAE Popularization on the Teaching

in Curriculums of Mechanics

HUANG Zhongwen

(Mechanical and Electronical Engineering College,

Wuhan Engineering University, Wuhan, Hubei 430205)

Abstract The series curriculums of engineering mechanics are theoretically developed with engineering application. The CAE techniques popularization ought to be strengthened in curriculums of engineering mechanics, which on the one hand, promotes the students' interest in engineering mechanics courses and on the other hand, enhances students' abilities to settle practical problems of engineering mechanics.

Key words CAE; curriculums of mechanics; popularization

0 前言

當今世界由于經濟和科技都在迅速發展，社會中的各行各業特別需要不僅具有一定理論水平的而且具有較強實踐應用能力的綜合性應用型人才，在工程力學的技術應用方面更是需要這樣的復合型人才。

以工程力學基本理論為基礎的計算機輔助工程結構分析（CAE）技術是一種結合計算力學、計算數學和計算工程科學理論的最有效的計算方法。CAE技術的工程軟件比較多，其中ANSYS軟件最為廣泛。CAE技術目前已經成為工程結構分析與設計的現代方法，工程技術人員需要學會并掌握這種現代技術。

不斷改進工程力學系列課程的教學方式，在力學課程教學過程中推廣使用CAE技術的上機訓練教學，可以促進學生學習工程力學系列課程的興趣，最終指導學生學好工程力學系列課程并掌握CAE技術。加強以ANSYS軟件為主的CAE技術在工程力學系列課程教學中的推廣使用，使工程力學理論與實踐應用相互滲透融合，強化培養學生的工程力學實際應用能力是應用型工科本科院校在工程力學系列課程教學中的一項迫切的任務。

1 CAE技術在理論力學教學中的應用

理論力學的靜力學理論中會遇到桁架結構的靜力分析，在理論力學中手工計算求解桁架結構的方法主要有：結點法、截面法及其聯合應用。桁架結構為工程中大跨度結構的一種常用形式。桁架結構是由許多桿件互相鉸接形成的體系，若載荷只是作用在結點上時，則桁架結構中的每根桿件都是二力桿，每根桿的內力都主要是軸力，可能為壓力也可能為拉力。

采用以ANSYS軟件為主的CAE技術可以通過計算機來計算求解各種桁架結構的力學分析。可以讓學生采用ANSYS軟件計算求解一些簡單的桁架結構，得到結果后再與手工計算的理論值進行比較。如圖1所示為采用ANSYS軟件計算求解出的某一桁架結構受力變形后的軸向應力云圖。

2 CAE技術在結構力學教學中的應用

結構力學理論中通常會遇到剛架結構和桿系組合結構的靜力分析。剛架結構為常用的一種工程結構，剛架結構是由許多桿件互相剛接形成的體系，各桿件在各橫截面上有軸力、剪力和彎矩等內力。桿系組合結構也為一種常用的工程結構，在桿系組合結構中，一部分的桿件為梁式桿，承受軸力、剪力和彎矩的作用；另一部分桿件為二力桿，只承受軸力的作用。

采用以ANSYS軟件為主的CAE技術可以通過計算機來求解結構力學中的各種桿系結構。可以讓學生采用ANSYS軟件計算求解一些簡單的剛架結構或者桿系組合結構，得到結果后再與手工計算的理論值進行比較。如圖2所示為采用ANSYS軟件計算求解出的某一剛架結構承受荷載后的彎矩圖。

3 CAE技術在材料力學教學中的應用

材料力學理論中的簡支梁、懸臂梁和外伸梁等主要是承受剪力和彎矩作用，拉壓桿主要是承受軸力作用，另外彎扭組合變形中的軸類構件是一種典型的實際工程構件，各個橫截面上主要是承受剪力、彎矩和扭矩等的共同作用。

采用以ANSYS軟件為主的CAE技術可以通過計算機來求解材料力學中的各種軸類構件。對于軸類構件可以采用桿件結構的計算方法，也可以采用空間實體結構的計算方法，采用實體結構的計算方法更加精確，可以讓學生采用ANSYS軟件分別通過兩種方法計算求解出某一軸類構件受力的變形和應力后，再將結果進行相互比較。如圖3所示為利用ANSYS軟件采用實體結構的計算方法計算求解出的某一傳動軸承受荷載后的等效應力云圖。

4 CAE技術在彈性力學教學中的應用

彈性力學理論是研究各種形狀的固體的實體結構問題，實體結構分析問題含有平面結構問題和空間結構問題兩大類。彈性力學的公式和理論都非常復雜，雖然彈性力學研究各種形狀固體，但也只能對規則簡單形狀的物體獲得精確解。采用以ANSYS軟件為主的CAE技術可以通過計算機來求解彈性力學中的各種結構。可以讓學生采用ANSYS軟件計算求解一些簡單的實體結構，得到結果后再與彈性力學的理論值進行比較。

平面問題的應力分析是彈性力學中的一項主要內容，帶孔平板的應力分析是平面問題中的一種典型問題。如圖4所示為采用ANSYS軟件計算求解出的某一帶孔平板受力變形后的等效應力云圖。

5 結語

通過上述幾個實例分析表明，有必要在各門工程力學系列課程教學中設置相應的上機學時，把計算機輔助工程結構分析即CAE技術引入到工程力學系列課程的教學中來。不僅要求學生掌握工程力學的基本理論，而且還要求重點突出上機教學環節，讓學生知道可以通過計算機去完成繁瑣復雜的工程力學計算問題，這樣能夠徹底改變學生在學習工程力學系列課程時感覺到計算公式較繁瑣的枯燥無味的狀態。

工程力學系列課程具有較強的理論性和廣泛的工程應用性的特點，計算機輔助工程結構分析（CAE）技術以ANSYS軟件的使用最為廣泛。為了促進學生學習工程力學系列課程的興趣和提高學生解決工程力學實際問題的能力，應該加強以ANSYS軟件為主的CAE技術在工程力學系列課程教學中的推廣應用。

參考文獻

[1] 韋成龍,李學罡.材料力學教學內容改革的研究與實踐[J].力學與實踐,2002(3).

[2] 黃忠文.培養應用型人才的工程力學系列課程的教學改革[J].教育理論與教學研究,2011(1).

[3] 陳琦,劉儒德.當代教育心理學[M].北京:北京師范大學出版社,2007.

[4] 楊德廣.高等教育學[M].北京:高等教育出版社,2009.

[5] 黃忠文,李元松,鄭賢中.彈塑性力學有限元法及ANSYS應用[M].武漢:湖北科學技術出版社,2011.