ANSYS軟件在材料力學課程輔助教學中的應用

劉 斌（山東大學外國語學院，濟南 250100）

ANSYS軟件在材料力學課程輔助教學中的應用

劉 斌
（山東大學外國語學院，濟南 250100）

ANSYS軟件是由美國著名的ANSYS軟件公司，所研制開發的一款大型的CAE仿真分析軟件，它由于具有強大的網格處理能力、高精度非線性問題求解能力以及豐富的數據單元庫，因此被廣泛應用各類工程領域與力學課程的輔助教學當中。本文結合實際教學經驗，從ANSYS軟件在材料力學教學中的優勢出發，并就其在實際輔助教學中的應用進行了探索與研究。

ANSYS軟件；材料力學；輔助教學；應用

1 材料力學的教學現狀

很多學生反映，材料力學課程理論難懂、習題難解，是他們在大學期間接觸到的既抽象、枯燥又難以理解的課程。而且，由于教學計劃的調整，大多數專業的材料力學課程教學學時數也常常被壓縮。因此，如何在有效的教學時間內，以充分調動起學生的學習興趣與學習熱情，是當前材料力學課程教學改革與優化的重點課題。

目前，利用計算機信息化輔助材料力學的課程教學以取得了較好的成效，以ANSYS軟件為例，不僅能將抽象化的數據轉換生動形象的圖形加以顯示，從而加深學生對知識點的理解與掌握，降低學生的學習難度，而且能開拓學生的視野，培養學生理論與實際相結合的應用能力?？梢哉f，ANSYS軟件在課程輔助教學中的成功應用，對于促進整個材料力學課程的改革與完善都有著重要的意義。

2 ANSYS軟件在材料力學教學中的優勢

目前，ANSYS軟件在材料力學課程輔助教學中的優勢，主要表現在以下幾個方面：

2.1 提高教學效果

材料力學是集合了材料類、力學類、機械類以及建筑類等專業于一體的重要專業基礎課程。教學的主要任務是研究材料構件在外力條件下的變形、破壞及失效等規律，以及相應計算表達式。然而由于材料力學課程內容中所涉及到的數學公式偏多，邏輯推理嚴密，且計算多以微積分方程式出現，計算量較大，許多理論數據都具有很強的理論性和抽象性，以上因素都導致在教學過程中學生對所學知識點難以有效掌握和理解，教師的教學難度偏大。

ANSYS軟件由于其所具有的形象、快捷的建模功能以及圖形顯示功能，可以將抽象化的數據轉換生動形象的圖形加以顯示，從而加深學生對知識點的理解與掌握，降低學生的學習難度。同時，利用ANSYS軟件的動畫形式，不僅能形象展示材料的結構變形情況、位移情況以及應力分布情況，而且還能展示出材料結構從最初加載到最后形變的整個過程，從而使得原本難以理解的知識點變得淺顯易懂，以此啟發學生充分理解材料力學的相關基礎理論和概念的實質含義，并有效激發出學生對材料力學課程的學習興趣與學習熱情，進而實現良好的教學效果。

2.2 培養學生的實際應用能力

在實際教學過程中，很多學生學習較為吃力，對教材內容不易理解，課后習題更難求解，導致學生對材料力學學習存在著較強的畏懼心理。而這些現象的產生，多是由于在學習中沒有充分理解材料力學的基本概念，沒有抓住材料力學基本方程的實質含義和各物理量間的關系，再加上對數學知識的遺忘等原因造成的。

而通過ANSYS軟件在材料力學課程教學中的有效應用，它作為目前通用的一款大型CAE仿真分析軟件，由于其強大的網格處理能力、非線性問題求解能力以及圖形顯示能力，都使得在教學過程中不僅能強化學生對基礎知識點的學習與掌握，而且還能有效加深學生對實際工程背景的理解，以拓展學生的視野，培養學生理論與實際相結合的應用能力。

3 ANSYS軟件在材料力學課程輔助教學中的實踐應用

本文以圓環應力集中現象為例，分析了ANSYS軟件在材料力學課程中的實踐應用。材料結構的應力集中現象，作為實際工程中常見的一種力學現象，也是課程教學中的一個重難點問題。許多學生在學習過程中，對于材料結構的應力集中現象只有一個較為模糊的認識，而對于結構應力集中程度與結構形狀之間的關系，以及影響應力集中的因素并不能理解透徹，導致無法將理論知識與實際應用相結合。

而利用ANSYS軟件，則能夠將各種材料結構的應力集中現象進行模擬與再現，并用直觀、形象的圖形展現出現，這都有利于學生對相關知識點的理解與掌握。例如：有一內徑與外徑分別為0.1m和0.2m的圓環，在圓環沿直徑方向作用力下出現1mm的壓縮量，已知圓環材料的彈性模量為2GPa，則可通過ANSYS軟件來計算圓環的應力集中程度。

圖1 水平方向正應力

圖2 豎直方向正應力

圖3 水平面剪切應力

圖4 第一主應力

圖5 第三主應力

圖6 Mises應力

在上圖1～圖6中，分別顯示了圓環的水平方向正應力、豎直方向正應力、水平面剪切應力、第一主應力、第三主應力以及Mises應力的分布云圖。從圖中可以看出，以上每個應力分布云圖中都存在較為嚴重的應力集中現象，這也與課程中的相關較為內容非常接近。利用這種直觀的圖形展示，可以讓學生非常容易理解材料的應力集中的概念，以及應力集中程度好結構形狀之間的關系。這樣不僅能有效避免傳統教學中相關知識點抽象、難以理解的不足，以加深對所學知識點的理解與掌握，而且可以很好的培養學生開拓性思維，以及對相關知識點的分析應用能力與創新能力。

4 總結

本文從ANSYS軟件在材料力學教學中的優勢出發，并就其在教學中的實踐應用進行了探索與研究。在材料力學課程的實際教學過程中，通過對ANSYS軟件的有效利用，可以充分應用該軟件在數據計算以及直觀顯示上的優勢，使材料力學的課程與軟件的仿真分析技術相充分結合，以加深學生對相關知識點的掌握與理解，提高學生的學習興趣與學習熱情，進而實現課程教學質量的提升，值得在材料力學課程中大力普及與應用。

[1]何琳.淺談材料力學課程的教學改革與完善的探索[J].重慶交通學院學報:社會科學版,2012（06）.

[2]葉勇.淺談ANSYS軟件與《材料力學》課程教學的有機結合[J].科技情報開發與經濟，2009（20）.

[3]刑靜忠.ANSYS7.0分析實例與工程應用[M].北京:機械工業出版社,2012.

[4]博弈創作室.ANSYS9.0經典產品基礎教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社,2014.

劉斌（1982-），男，山東濟南人，本科，助理實驗師，軟件工程，ANSYS軟件在材料力學課程輔助教學中的應用。