淺談計算機軟件與“理論力學”相結合的教學探索

呂 尤，明 哲，辛志遐，張彥民，郎豐饒

（吉林農業科技學院機械工程學院，吉林132101）

淺談計算機軟件與“理論力學”相結合的教學探索

呂 尤，明 哲，辛志遐，張彥民，郎豐饒

（吉林農業科技學院機械工程學院，吉林132101）

隨著科學技術發展水平的不斷提高，理論力學作為一門經典力學課程，無論是板書式的教學方式，還是多媒體式的教學方式，都無法充分展現理論力學課程所講授內容的理想效果，亟需更加先進的教學手段。本文著重研究MSC. NASTRAN、PRO/E和ANSYS/LS-DYNA等計算機軟件與理論力學課程中的靜力學、運動學和動力學的教學內容相結合，采用此種教學手段，使得理論力學課程中抽象的教學內容能夠更加具體和直觀地展示在學生面前，進而極大地提高了學生的理解能力和學習效率，獲得了良好的教學效果。

計算機軟件；理論力學；教學方法；教學效果

1　引言

隨著科學技術發展水平的不斷提高，高校課程的教學方法、教學手段和教學內容也在隨之發生改變［1］。理論力學課程是所有工科類專業最重要的專業基礎課之一，傳統的教學方式是通過板書的形式進行講授。近年來，隨著計算機技術和網絡技術的飛速發展，多媒體作為一種新興的教學方式也悄然興起，并逐漸取代了“板書”，成為理論力學課程最主要的授課方法。本文著重研究MSC.NASTRAN、PRO/E和ANSYS/LS-DYNA等計算機軟件與理論力學課程中的靜力學、運動學和動力學的教學內容相結合，進而完成教學手段改進和教學效果提高的有益探索。

2　靜力學與MSC.NASTRAN軟件相結合

2.1MSC.NASTRAN軟件簡介

MSC.NASTRAN是一個通用的有限元商業軟件，它為用戶提供了方便的模塊化功能選項，其主要功能模塊包括：基本分析模塊（含有靜力、模態、屈曲、熱應力、流-固耦合以及數據庫管理等）、動力學模塊、熱傳導模塊、非線性分析模塊、設計靈敏度分析以及優化模塊、超級單元分析模塊、氣動彈性分析模塊、DMAP用戶開發工具模塊以及高級對稱分析模塊。除了模塊化之外，MSC. NASTRAN還可以按照解題規模，在10 000節點到無限個節點范圍之內，根據不同的節點數，形成解題規模大小不同的軟件版本。

2.2靜力學與MSC.NASTRAN軟件的結合方式

在理論力學課程的第一部分內容——靜力學中，研究了物體在力系作用下的平衡規律，主要內容包括物體的受力分析、力系的等效替換或簡化、建立各種力系的平衡條件等［2］。靜力學涉及到各種類型的力的作用，包括“約束”與構件之間，構件與構件之間，構件與載荷之間，其中載荷又有主動力和均布載荷之分，在學生進行學習的過程中，往往只能依靠想象來揣測各種力的作用情況和作用效果，而部分理解能力較差的同學則難以弄懂靜力學課程所講授的內容。根據有限元的理論知識，可以在MSC.Patran軟件中構建各種“約束”和構件有限元計算模型，并施加載荷和設置邊界條件，再將其導入到MSC.NASTRAN軟件中進行求解，這樣一來，一方面能夠將具體的工程問題按照工程分析要求轉化為有限元模型，進行分析與求解，更為重要的是，能夠使得學生從理論力學的角度更加深入地理解研究對象的工作原理，這對以后學生學習其他力學課程，以及未來從事工程設計工作都具有重要的指導意義。

3 運動學與PRO/E軟件相結合

3.1PRO/E軟件簡介

PRO/E是由美國PTC公司研發的一套三維CAD/CAM參數化軟件系統，其內容涵蓋了產品從概念設計、工業造型設計、三維模型設計、分析計算、動態模擬與仿真、工程圖輸出，到生產加工成產品的全過程、其中包含了大量的電纜、管道布線、模具設計與分析等實用模塊，應用范圍涉及航空行體、汽車、機械、數控（NC）加工、電子等諸多領域。

3.2運動學與PRO/E軟件的結合方式

在理論力學課程的第二部分內容——運動學中，其內容主要是從幾何的角度研究物體的運動，包括物體的運動軌跡、運動方程、速度、加速度、角速度、角加速度等［3］。物體在力的作用下的運動規律是一個十分復雜的問題，因此，在運動學中不考慮物體運動的物理因素，這就為理論力學第三部分——動力學內容的學習打下了良好的基礎。但是，教材中的例題和習題都是靜止的，學生只能憑空想像物體的運動狀態。通過PRO/E軟件的應用，可以構建各個構件的物理模型，在各個模型的關鍵節點上設置伺服電動機和邊界條件，從而，能夠讓整個物體系統的運動狀態直觀地展現在學生面前，極大地提高了學生對運動學所講授內容的理解能力。

4　動力學與ANSYS/LS-DYNA軟件相結合

4.1ANSYS/LS-DYNA軟件簡介

ANSYS/LS-DYNA是世界上最著名的通用顯式非線性動力分析程序，能夠模擬真實世界的各種復雜的非線性（包括大位移、大轉動和大應變）、材料非線性（包括140多種材料的動態模型）和接觸非線性（含50多種）問題，特別適合求解各種二維和三維非線性結構的高速碰撞、爆炸后金屬成形等非線性動力學沖擊問題，同時可以求解傳熱、流體、以及流固耦合問題。

4.2動力學與ANSYS/LS-DYNA軟件結合方式

在理論力學課程的第三部分內容——動力學中，其內容主要是物體的機械運動與作用力之間的關系。靜力學研究了作用于物體上的力，運動學研究了物體的運動而忽略了力的作用，然而，動力學卻對物體的機械運動進行了全面的分析，建立了物體機械運動的普遍規律［4］。動力學的形成和發展是與工程應用緊密相連的，尤其是對于科學技術飛速發展的當下，為動力學提出了許多極其復雜而嚴峻的課題，例如：高速運轉機械的動力計算、高層結構建筑受到風載荷及地震的影響、宇宙飛船及火箭推進技術、以及機械人的動態特性等，這些問題都需要應用動力學的相關理論知識作為支撐，方可進行分析與解決。在動力學中，最難以理解和最為常見的內容是能量的傳遞和轉換過程，如何讓“能量”這一看不見且摸不著的抽象概念具體化，使得學生能夠更快地理解和掌握能量的轉換規律，就需要借助ANSYS/LS-DYNA軟件的幫助。通過ANSYS/LS-DYNA軟件的應用，將質點或剛體相互作用過程中的能量轉化以應力和應變的形式表現出來，由應力圖和應變圖的動畫演示，學生可以清楚地觀察能量傳遞的全過程，從而，實現了理論力學內容與材料力學內容的有效銜接，為學生未來學習材料力學課程奠定了堅實的理論基礎。

［1］李秀芬.“理論力學”教學體系、教學內容及教學方法的改革與實踐［J］.樂山師范學院學報，2011（26）：115-117.

［2］楊志安.“理論力學”教學中的學科滲透與融合［J］.唐山學院學報，2013，26（01）：83-90.

［3］張素穎.MasterCAM軟件在理論力學中的應用［J］.科技情報開發與經濟，2008（18）：153-154.

［4］刑利英，王新征.工科理論力學教學改革與實踐［J］.南陽師范學院學報，2010（9）：107-109.

責任編輯：吳艷玲

Exploration of Teaching on the Combination of Computer Software and“Theoretical Mechanics”

LV You，MING Zhe，XIN Zhixia，ZHANG Yanmin，LANG Fengrao
（Jilin Agriculture Science and Technology University School of Mechanical Engineering，Jilin 132101）

With the rapid development of science and technology level，the theoretical mechanics as a classical mechanics course，whether it is writing on the blackboard style for teaching method，or multimedia type for teaching method，it can not fully show the ideal effect of theoretical mechanics course teaching content. So，the theoretical mechanics needs more advanced teaching method.This thesis focuses on the study of the combination of MSC.NASTRAN，PRO/E and ANSYS/LS-DYNA computer software and theory courses of theoretical mechanics，including statics，kinematics and dynamics.By adopting this teaching means，it makes the teaching content of theoretical mechanics course more concrete and intuitive in front of the students，which greatly improves the students understanding ability and learning efficiency，finally it obtains excellent teaching effect.

computer software；theoretical mechanics；teaching method；teaching effect

O31-4；TP319

A

2015-06-03

呂 尤（1983-），男，吉林省吉林市人，講師，從事仿生科學與工程研究。