ABAQUS在材料力學教學中的應用展望

孔祥清+翟城+章文嬌+曲艷東

摘 要：本文對有限元軟件ABAQUS在材料力學課程教學中的應用進行了分析，發現如果能很好地將ABAQUS與材料力學教學相結合，不僅可以將材料力學中抽象理論可視化，而且還能用于模擬材料力學實驗，不僅可以激發學生學習力學的興趣，還可增強學生對工程實際問題的感性認識，為其將來能更好地解決工程實際問題打下扎實的基礎。

關鍵詞：材料力學；ABAQUS；數值模擬

一、前言

隨著高等教育教學改革的不斷深入，傳統的材料力學教學體系已暴露出許多不合理的地方，為了適應形勢，國內許多工科院校都在材料力學課程體系、教學內容、教學方法等方面開展了卓有成效的研究。當前，計算機技術和現代數值計算方法的發展給材料力學的發展和教育帶來了深刻影響。因而在材料力學的教學中，應當體現這種科技發展趨勢，在原有的課程體系中融合新的計算技術，引進新的計算工具，從而提高教學質量，加強學生的建模和計算能力，拓寬學生的知識面，培養學生的創新思維。為此，筆者對ABAQUS在材料力學教學中的應用進行了一些探索。

二、ABAQUS有限元技術簡介

隨著計算機技術的快速發展，數值模擬軟件得到了空前的發展。目前比較常用的數值模擬軟件是基于有限元原理的ABAQUS、ANSYS、MARC等，這些有限元軟件具有強大的前處理及后處理功能，對于模擬基礎力學中的實驗非常有利，特別是大型通用有限元軟件ABAQUS，它是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。ABAQUS包括一個豐富、可模擬任意幾何形狀的單元庫，擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質材料。作為通用的模擬工具，ABAQUS除了能解決大量結構（應力/位移）問題，還可以模擬其他工程領域的許多問題，例如熱傳導、質量擴散、熱電耦合分析、聲學分析、巖土力學分析（流體滲透/應力耦合分析）及壓電介質分析。很多高校已經將ABAQUS作為本科生和研究生的必修課程。

三、ABAQUS應用于材料力學教學中的優勢

1.將抽象理論可視化

對于工科學生來說，材料力學中的概念較多，并且一些概念比較抽象且容易混淆，如內力、應力、應變、變形、位移、應力狀態等，初學者往往難以理解。同時，在諸如梁的平面彎曲應力及變形構件的組合變形等許多章節的教學過程中，需要推導相關的公式，涉及到復雜的幾何和數學知識，包含了大量幾何要素和空間位置關系，如彎曲梁橫截面的應力分布規律、平面彎曲梁的變形、圓軸彎扭組合變形時應力分布規律等。對于這些內容，傳統教學方法單純通過教師口頭講解和板書繪圖，不僅浪費時間而且不易于學生理解，導致學生普遍感到材料力學課程理論枯燥、難懂。而ABAQUS具有直觀形象的圖形顯示功能，可將抽象的應力、應變、位移等數據轉化為形象生動的圖形。在教學過程中借助于ABAQUS軟件，將原本抽象的力學理論和枯燥乏味的概念直觀化、形象化，通過圖形、動畫等形式展現在學生面前，這將有助于提高學生的形象思維能力，幫助學生理解教材內容，培養學生分析結構的能力。

2.材料力學實驗模擬

材料力學作為一門實踐性較強的學科，需要將實驗分析和理論研究緊密結合。但是目前材料力學實驗教與學的過程中普遍存在重理論輕實驗的現象，嚴重影響了力學課程的教學質量。大多數學校受實驗條件及學時壓縮等因素的制約，將材料力學實驗課的內容進行了很大部分的刪減，保留下來的實驗項目也大都是演示性實驗，通常是七八個學生一組，共用一根試件進行拉伸、壓縮、彎曲等實驗，在此過程中大部分學生只是被動地完成了實驗，而無法真正親自參與實驗，這就限制了對學生的動手能力以及遇到問題時分析問題、思考問題、解決問題的能力的培養。材料力學實驗所需要的實驗設備價格昂貴，大都為破壞性實驗，需耗費大量試件，因此不便于重復進行。另外，還有很多力學過程并不能在實驗室演示，如應力集中現象、構件組合變形、壓桿失穩等。以上這些問題的出現必然影響材料力學的整體教學水平。

基于以上問題，充分利用ABAQUS的計算和分析優勢，將材料力學實驗教學與ABAQUS的數值仿真技術結合起來，利用其強大的建模及分析能力，演示力學過程和問題分析過程，尤其是借助于ABAQUS中的后處理模塊，能以動畫的形式動態顯示結構從加載到變形直至破壞的全過程，這相當于將力學實驗室搬到了課堂進行現場演示，而且模擬力學實驗過程可以重復進行多次，這也是比實際實驗優越的一面。學生在重復的過程中對一些現象進行深入的探索、研究，從而啟發學生的創新性思維，甚至幫助學生完成目前很多高校力學實驗室不能展開的重要力學實驗，例如，扭轉、壓桿穩定等實驗。總之，將ABAQUS應用到材料力學實驗教學中，是對完善傳統實驗教學方式的一種嘗試。用該數值試驗補充常規的物理實驗，注重創新探索性，不但有助于學生對力學基礎知識的理解，有利于學生創新意識的培養，而且能夠在教學過程中啟發學生，使理論與實踐相結合，達到形式、內容和結果的新穎性。

四、結論

將ABAQUS應用于材料力學教學中，對相關材料力學問題及實驗現象進行分析計算，能使學生更容易理解知識，也激發他們的學習興趣，更為他們今后更進一步深造或走上工作崗位后應用有限元技術解決工程中許多實際問題打下良好的基礎。