新教改下ANSYS軟件在大學物理實驗教學中的應用與實踐

李戰廠，黃國鋒，白洪波，尹輯文

（赤峰學院 物理與電子信息工程學院，內蒙古 赤峰 024000）

1 引言

大學物理實驗是大學生的一門科學實驗課程,也是一門專業必修實驗課，不僅應讓學生接受嚴格的、系統的實驗技能訓練,掌握科學實驗的基本知識、方法和技巧,更主要的是要培養學生嚴謹的科學思維能力和創新精神,培養學生理論聯系實際、分析和解決實際問題的能力,特別是與科學技術的發展相適應的綜合能力,以適應時代發展的要求[1].然而,有些物理實驗很抽象，可視化、直觀性不強，如大學物理實驗中有關溫度場、電磁場、電場的實驗.在高等教育新教學改革的大背景下,如何有效改進大學物理實驗教學,提高學生整體科學素養以適應當前社會快速發展和大學應用型人才培養模式的轉變，一直是大學物理教師熱衷探討的問題.例如在實驗中，在知識傳授為背景的傳統教學思想支配下,學生只是重復實驗講義上的實驗步驟,從儀器裝置、實驗過程、數據處理都有現成的步驟.實驗結束，也沒有自己的思考和深刻的認識.

本文試圖將有限元法軟件ANSYS引入到大學物理實驗教學之中,并以教學設計為切入點,結合大學物理實驗課程特點,運用有限元軟件ANSYS并結合自己在大學物理教學的經驗,研究有限元法在大學物理實驗設計的意義.有限元法是當今數值計算領域應用最為廣泛最為成熟的一種計算方法,其最大的優點是通用性強、精度高[2].隨著有限元理論基礎的日益完善,出現了很多通用和專用的有限元計算軟件.其最大的優點是通用性強、精度高.隨著有限元理論基礎的日益完善,出現了很多通用和專用的有限元計算軟件.國際上大型的有限元分析程序主要有ANSYS,NASTRAN,ASKA,ADINA,SAP等.在眾多可用的通用和專用有限元軟件中,ANSYS是最為通用有效的商用有跟元軟件之一,在多次用戶調查中,ANSYS都名列前茅[3].它不但成功解決了結構分析問題，還越來越廣泛地應用于傳熱傳質、流體動力學、結構力學、熱學、高壓物理、電磁學和聲學等領域[4-6].由于溫度場、電場、電磁場等物理場無法直接觀察，現有的實驗測試方法雖然能測得某一點或一條線的數值，但是很難直接觀察和研究物理場、電磁場與電場的分布，因此大學物理實驗在如電磁場描繪、電場描繪等實驗有著直觀性不佳，學生做完試驗后認識不清.借助有限元分析軟件ANSYS可模擬出大學物理實驗中的電磁場、溫度場、電場的物理場的分布，以圖形化和視頻方式顯示其分布及其計算結果，得到富有感染力的二維或三維圖形及視頻圖像.實踐表明，利用ANSYS實現大學物理中溫度場、電磁場、電場等物理場的可視化設計，不僅有利于學生掌握理論知識，還對學生適應現代社會需求，提高自身的能力和素質有著重要的意義.

2 ansys軟件在大學物理實驗中的應用實例

2.1 CPU散熱器溫度場分布

圖1（a）所示為CPU（中央處理器）散熱器的幾何模型.上方CPU尺寸為20mm×20mm×7.5mm；中間為同隔熱器，尺寸為45mm×45mm×2.5mm；下方為鋁散熱器，長度和寬度均為45mm，厚度為40mm：冷卻葉片的長為45mm，寬為5mm，厚度為30mm.在模型里，CPU放置在銅隔熱器上，該隔熱器放置在鋁制散熱器上.CPU產生熱量，功率為20W，溫度約150℃，而且系統接收附近部件的輻射能，所有部件依靠與熱空氣進行自由對流來冷卻.由于溫度更高，需要考慮隨溫度變化的材料特性和載荷.在ANSYS中，采用PLANE77熱分析單元對CPU散熱器進行文促散熱分析.圖1（b）為CPU散熱器溫度場分布云圖，由ANSYS仿真結果可以看到，銅隔熱器中心溫度較高，兩端溫度較低.散熱器中心葉片的溫度比外側的高，葉片上的溫度離CPU越遠溫度越低.這些和實驗測溫結果一直，實驗只能測幾個關鍵點的溫度，而ANSYS仿真可以顯示出溫度場的分布，并且更直觀.

圖1 CPU散熱器溫度場分布云圖

2.2 靜電球在空氣中電場分布

在空氣中,一半徑為R=1mm的帶電球,電壓為Q=1000V,放置空氣中.用ANSYS軟件中電磁模塊可獲得電場強度的分布圖,如圖2所示為帶電球在空氣中電場分布，從圖中可以看到帶電球的電場離球面越遠，電場越弱，并且電場矢量的密度、顏色及方向均與用實驗法測的場強相一致,并且圖形更直觀.并且從仿真結果中矢量的顏色可看出電場強的地方與磁場弱地方.

圖2 靜電球的電場分布

2.3 圓柱形永磁體在空氣中磁場分布

把一個永磁體金屬球放置在空氣中，利用ANSYS軟件中電磁模塊可以獲得永磁體的磁場線.對于永磁材料，為了改善精度，利用剩磁感應密度(Br)和Hc來計算磁導率.Br與Hc的關系為

式中，相對磁導率μr,矯頑磁力Hc.由ANSYS仿真結果圖3為永磁體在空氣中磁場線分布，從圖中可以直觀地看到,磁場在永磁體球中最強.在空氣中，磁場離永磁場越近越強，并且磁力線是閉合曲線，并且從仿真結果中矢量的顏色可看出磁場最強的地方與最弱的地方.

圖3 永磁體在空氣中磁場分布

4 結論

根據我們對ANSYS有限元分析軟件的應用和探討,認為其物理場分析功能性能優良,可用來求解不同情況下的溫度場、電場、對流場、電磁場等物理問題.用有限元軟件ansys在大學物理實驗教學中的進行仿真實驗教學，為實驗開辟一條新途徑.它與普通的實驗相比有著以下三個方面的特色：（1）真實性.可以對實驗進行2D或3D建模，對實驗進行完整模擬;（2）交互性.學生能對模擬實驗中實驗對象的參數進行調整并得到相應的反饋.用有限元軟件ansys在大學物理實驗教學中的進行仿真實驗教學使得實驗更逼真、更為人性化;（3）形象性和直觀性.ANSYS軟件強大的運算能力能分析實驗過程中的數量關系，最后用直觀的曲線、圖形及視頻的多樣形式將實驗結果表現出來.因此,在新教改下ANSYS軟件應用于大學物理實驗教學中是一個創新,其良好的物理場分析功能可以對實驗教學有很好的輔助作用.利用ANSYS實現大學物理中物理場的可視化設計，不僅有利于學生掌握理論知識，還對學生適應社會需求，提高自身的能力和素質起到不可估量的作用.

〔1〕王延宗,黃睿.淺談如何提高大學物理實驗教學質量[J].科技資訊,2007(35):115-116.

〔2〕郝治國，余洋，張保會，程臨燕，曹瑞峰，丁茂生，張軍.高壓直流輸電單極大地方式運行時地表電位分布規律[J].電力自動化設備，2009，29(6):10-14.

〔3〕李志剛,邵長金,唐煉.大學物理實驗中有限元軟件ANSYS求解電場問題的應用[J].長春師范學院學報,2004,23(10):33-36.

〔4〕雷玉成,郁雯霞,李彩輝,等.GMAW溫度場計算及其焊接質量的特征建模[J].江蘇大學學報(自然科學版),2005,26(3):253-256.

〔5〕Li ZhanChang,Jia HongSheng,Ma HongAn,Guo Wei,LIU XiaoBing, Huang GuoFeng, Li Rui, Jia XiaoPeng*,FEM analysis on the effect of cobalt content on thermal residual stress in polycrystalline diamond compact(PDC),SCIENCE CHINA Physics,Mechanics&Astronomy,2012,55(4):639-643.

〔6〕Li ZhanChang,Jia XiaoPeng,Huang GuoFeng,Hu MeiHua,Li Yong,Yan BingMin,Ma HongAn*,FEM Simulation and Experimental Studies on the Temperature Field in the Cell of Large Diamond Crystal Growth，Chinese Physics B,2013,22(1):014701.