ANSYS在理論力學教學中的應用

翁劍成（龍巖學院 機電工程學院，福建 龍巖364000）

ANSYS在理論力學教學中的應用

翁劍成
（龍巖學院 機電工程學院，福建 龍巖364000）

摘要：借助ANSYS軟件，分別從靜力學、運動學和動力學仿真了《理論力學》一些工程問題.實踐證明，合理使用計算機軟件，可以促進學生的學習興趣，提高學生分析和解決工程問題的能力.

關鍵詞：ANSYS；理論力學；計算機輔助教學

《理論力學》是機械類本科專業的必修課程，對學生的抽象思維能力和數學運算要求較高，而應用型本科院校學生數學功底普遍較薄弱，直接求解方程組，計算量比較大，容易出錯.為了培養適應21世紀的人才，利用學生對計算機愛好的這一特點，把理論力學理論性很強的課程與培養學生的計算機應用能力相結合，把ANSYS軟件引入理論力學課程教學中，可讓學生從煩瑣的演算中解放出來，從而把精力放在力學的思考和研究上，無疑對學生理解力學相關理論和提高學生主動思考能力具有重要意義［1］.

ANSYS是融結構、熱傳導、流體力學、電磁學、聲學、生物力學、爆破分析于一體的大型通用有限元分析軟件，其過程主要包括：前處理，分析計算和后處理.從理論力學三大模塊靜力學、運動學、動力學三個方面研究ANSYS在理論力學中的應用，以展示計算機數值解在理論力學學習中的優點，以期得到更多的推廣和應用.

1 ANSYS軟件在靜力學中的應用

靜力學是《理論力學》的基礎，是研究物體在平衡狀態的力系作用下的規律；靜力學的分析思路首先是對工程問題中的構件進行正確受力分析，然后列平衡方程，求解平衡方程.在教學中，若能借助ANSYS軟件分析和求解靜力學問題，特別是平衡方程比較多的物系問題、空間力系問題、復雜靜不定問題等，可以大大提高學生的學習興趣，促使學生理解正確受力分析的重要性，使學生的學習主動性大大提高，很快掌握各種力系的受力分析并能正確地列平衡方程并求解.

計算算例：該桁架橋由型鋼組成如圖1，頂梁及側梁，橋身弦桿，底梁分別采用3種不同型號的型鋼，結構參數見表1.橋長L=32 m，橋高H=5.5 m.橋身由8段桁架組成，每段長4 m.該橋梁可以通行卡車，若這里僅考慮卡車位于橋梁中間位置，假設卡車的質量為4 000 kg，若取一半的模型，可以將卡車對橋梁的作用力簡化為P1，P2和P3，其中 P1=P3=5 000 N，P2=10 000 N，

圖1　桁架橋

表1　各構件結構參數

該結構特點是左右對稱，建模上可以建立一半并對稱.各桿均是平面梁，故選擇平面梁單元2d e-1astic 3并進行一些實常數和材料參數輸入，根據圖幾何尺寸算出各關鍵點坐標并在系統坐標系建立，接著分配各桿件的單元屬性并劃分應單元及施加載荷如圖2所示，利用ANSYS中豐富的結果顯示功能可以顯示變形圖、動畫顯示，矢量顯示，云圖顯示、列表顯示等，利用列表顯示功能可以顯示本桁架橋鉸鏈點的支反力、軸力具體數值.利用云圖顯示功能顯示本桁架橋的總位移如3所示和軸力圖如圖4所示.從這些結果云圖中，可以直觀地看出各桿變形和軸力分布情況，大大提高學生興趣.

圖2　桁架橋有限元模型

圖3　桁架橋總位移云圖　

圖4　各桿件軸力云圖

2　ANSYS軟件在曲柄滑塊機構運動學的應用

采用參數化設計，對鉸結點采用鉸鏈單元，使用ANSYS強大功能的后處理時間歷程觀察器，進行一些數學操作，由位移曲線可輕松得到速度曲線和加速度曲線［2］.

計算算例：圖5所示為一曲柄滑塊機構，曲柄長度R=250 mm、連桿長度L=620 mm、偏距e=200 mm，曲柄為原動件，轉速為n1=30 r/min，求滑塊3的位移s3、速度v3、加速度a3隨時間變化情況.

根據力學知識，計算的參數數據：

滑塊的行程H=535.41 mm，機構的極位夾角為θ=19.43°，行程速比系數.由于機構一個工作循環周期為T，所以機構工作行程經歷的時間s，空回行程經歷的時間T2=T-T1=2.892 s.

圖5　曲柄滑塊機構

通過ANSYS分析得到位移曲線，速度曲線、加速度曲線分別如圖6、圖7、圖8.

3　ANSYS軟件在動力學的應用

圖　6位移曲線　

圖7　速度曲線

圖8　加速度曲線

在動載荷作用下，結構上相應的位移、應力和應變不僅隨空間位置變化，而且隨時在動載荷作用下，結構上相應的位移、應力和應變不僅隨空間位置變化，而且隨時間變化.圖9所示鋼梁長為L=450 mm，支撐著一個集中質量M=0.021 5 t，質量阻尼為8，鋼梁的截面慣性矩為I=800.6 mm4，截面高度h=18 mm，彈性模量為2e5 MPa，這根梁承受著一個上升時間t1=0.075 s值為F1=20 N的動態載荷F（t）.梁的質量可以忽略，確定產生最大位移響應時的時間tmax和響應ymax.

圖9　鋼梁支撐集中質量的幾何模型

通過ANSYS分析該例，得到的位移響應曲線如圖10所示，從曲線中可以看出最大位移約0.29 mm，對應響應時間約為0.1 s.

圖10　位移響應曲線

4　結語

通過上述計算實例可以看出，用ANSYS程序進行理論力學一些較復雜問題的求解，可使抽象的理論力學問題結果以圖像可視化展示，讓物理過程變得更加形象直觀，有助于學生對力學基本概念的掌握和理解，提高對理論力學的感性認識和工程能力，調動學生的積極主動性和學習興趣，可更好地達到輔助教學的目的，取得良好的教學效果.通過將ANSYS程序引入到理論力學課程教學中，可讓學生了解國內外有限元軟件的最新成果，為后續課程、課程設計和畢業設計中的數值仿真作一定知識和方法上的準備，為將來在工程計算中使用有限元軟件打下基礎.

參考文獻：

［1］王黎明.基于ANSYS 1 2.1的曲柄滑塊機構動力學分析［J］.機械工程與自動化，2011，165（2）:42-45.

［2］邵小軍，劉永壽，岳珠峰.談工科理論力學教學中數學工具的應用［J］.力學與實踐，2007，29（5）:68-69.

［3］馬威猛，王建軍.基于ANSYS的轉子動力學分析［J］.現代振動與噪聲技術，2009（8）：535-537.

（責任編輯：李婉）

中圖分類號：G642.0

文獻標識碼：A

文章編號：1OO7-5348（2O15）12-OO77-O4

［收稿日期］2015-10-09

［基金項目］龍巖學院校級第三批教改項目（2014JY40）.

［作者簡介］翁劍成（1978-），男，福建永定人，龍巖學院機電工程學院講師；研究方向：計算力學.

The APPlication of ANSYS in the Theoretical Mechanics Teaching

WENG Jian-cheng
（Co11ege of Mechanica1 and E1ectrica1 Engineering，Longyan Co11ege，Longyan 364000，Fujian，China）

Abstract:Some engineering Prob1ems resPective1y from the statics，kinematics and dynamics in the theoretica1 mechanics were simu1ated with the ANSYS.Practice has Proved that the rationa1 use of comPuter software cou1d Promote students'interest in 1earning and imProve students'abi1ity in ana1yzing and so1ving engineering Prob1ems.

Key words:ANSYS；theoretica1 mechanics；comPuter-aided instruction