ANSYS有限元仿真在機械電子學課程教學中的應用

齊杏林　單體強　范志鋒　崔亮

摘 要 文章針對機械電子學課程內容抽象、數學基礎多、學習及授課難度大等特點，為克服常規教學方法的不足，提高教學效果，提出將ANSYS有限元仿真應用到機械電子學的課程教學中，并對其輔助教學方法進行了研究，對基于ANSYS有限元仿真的教學案例進行了分析。實踐表明，在課程教學過程中，ANSYS有限元仿真可以使學生直觀地了解機電系統運行過程及特征，加深了對課程基礎理論知識及概念的理解，提高了課程教學質量。

關鍵詞 機械電子學 ANSYS 有限元仿真 課程教學

中圖分類號：G424?文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.01.058

Application of ANSYS Finite Element Simulation

in Mechatronics Curriculum Teaching

QI Xinglin， SHAN Tiqiang， FAN Zhifeng， CUI Liang

（Ammunition Engineering Department， Ordnance Engineering College， Shijiazhuang， Hebei 050003）

Abstract For the mechatronics course content abstract， mathematical basis， learning and teaching difficulty and other characteristics， in order to overcome the deficiencies of conventional teaching methods to improve teaching effectiveness， proposed ANSYS FEM applied to courses in teaching mechatronics， and its secondary teaching methods were studied， teaching cases based on ANSYS finite element simulation analyzes. Practice shows that in the course of the teaching process， ANSYS finite element simulation allows students to intuitively understand the process of operation and characteristics of electromechanical systems， deepen the curriculum of basic theoretical knowledge and understanding of the concept to improve the teaching quality.

Key words mechatronics; ANSYS; finite element simulation; course teaching

0 前言

機械電子學課程的知識面非常廣，并且機電融合，對實踐要求較高。因此，在課程學習過程中，要求學生不僅能夠掌握各個專業知識點及其關鍵技術，還應理解機械電子學的概念與精髓，掌握機電一體化的設計理論與實踐方法，從而達到在工作中靈活運用這些技術的目的。筆者將ANSYS有限元仿真引入到教學中，模擬各種機電系統的實際工作過程，以加深學生對抽象的機電系統原理及其工程應用的理解，提高了學生分析和解決實際工程問題的能力。

1 ANSYS有限元仿真基礎

有限元法是一種非常有效的數值計算方法，在工程分析領域獲得了非常廣泛的應用。有限元仿真能夠分析系統結構參數對系統性能的影響，能夠幫助設計人員對系統的制造工藝及試驗方案進改進，從而實現對系統性能的全面優化。

ANSYS有限元仿真軟件是由美國著名力學專家John Swanson博士創建發展起來的，其目的在于通過系統物理模型的建立與仿真，給出實際系統的行為特征。ANSYS有限元仿真的基本思想是結構離散化、單元分析和整體分析，將實際結構離散為有限數目的簡單單元組合，并采用單元的集合逼近原有實際結構，從而實現整體性的分析，最終得到能夠滿足實際工程精度需求的分析結果。

2 ANSYS在機械電子學課程教學中的優勢分析

在機械電子學課程中，含有許多對復雜機械結構進行分析的教學內容。對于這些內容，單純講解和板書繪圖的傳統教學方法導致學生普遍感到課程理論枯燥、難懂。特別是諸如模態分析等機電系統動力學分析的教學內容，由于理論抽象，一直是機械電子學課程中的教學難點。ANSYS有限元仿真能夠緊密結合機電工程專業的工程實際問題，從而加強機械電子學課程教學與工程實際的結合。而且，ANSYS有限元仿真具有直觀形象的圖形顯示功能，能夠將抽象的應力、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ANSYS有限元仿真軟件，將原本抽象的理論和概念直觀化、形象化，通過圖形形式展現在學生面前，有助于提高學生的思維能力和結構分析能力，彌補了由于實際條件限制而導致的某些實驗缺少的不足。

著名教育家杜威認為一種良好的教學方式就是將教材與實際經驗相結合，使學生習慣于尋找這兩個方面的接觸點及相互之間的聯系。①從該角度出發可以看出，通過ANSYS有限元仿真軟件實現案例教學是將理論與實踐有效結合的教學模式。②通過引導學生分析和討論工程案例，幫助學生運用專業知識和創造性思維有效解決實際工程問題，并能夠引導學生追本溯源，加深其對相關基礎理論知識與概念的理解和掌握。

3 教學案例研究

模態分析能夠確定機電系統結構的振動特性，即系統結構的固有頻率與振型，這是進行瞬態動力學分析、諧響應分析和譜分析等其它動力學分析的基礎。通過模態分析，在機電系統結構設計時可以有意識地避免共振現象的發生。本節采用ANSYS有限元法建立典型微機電系統——電熱微驅動器模型，并進行系統模態分析。

3.1 模態分析理論基礎

3.1.1 模態分析理論基礎

系統結構的動力學基本方程為：

（1）

對于模態分析，通常 （） = 0，[]一般不計，因此模態分析的表達式為：

（2）

其中，[]為結構的質量矩陣，[]為結構的阻尼度矩陣，[]為結構的剛度矩陣， （）為節點的載荷向量，為結構的節點加速度向量，為結構的節點速度向量，{}為結構的節點位移向量。

在微振動的情況下，可設上述方程組的解為：

{} = {}（ + ） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

其中，為節點位移幅值，為節點相位。

將式（3）代入式（2），得出

[]{} = []{} ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

上式行列式為頻率行列式，系統的固有頻率可以通過求解上述方程的廣義特征值得到。③

3.1.2 模態分析方法

具體的機電系統結構可認為是多自由度的振動系統，具有多個固有頻率，而對應該固有頻率的振動形狀就是該階的主振型。固有頻率和主振型與外界因素無關，只與系統結構的剛度特性與質量分布相關。硅基電熱微驅動器的結構尺寸參數為：材料密度為2330kg/m3，楊氏模量為130GPa，泊松比為0.22，驅動臂長200%em，寬15%em，高2%em。由于低階固有頻率對系統結構的性能影響較大，本節采用ANSYS有限元仿真提取了硅基電熱微驅動器模態分析的前三階低階固有頻率，并給出了相應的主振型圖，如圖1、圖2和圖3所示。仿真結果對提高電熱微驅動器的設計質量和正確使用提供了理論依據。

從對教學案例的分析可以看出，采用ANSYS有限元仿真進行機電系統結構的模態分析，能夠以云圖的形式顯示出系統結構應力、應變的分布情況，系統結構的變形情況等。通過ANSYS有限元仿真，可以計算出系統結構的固有頻率和振型，從而通過觀察系統在固有頻率下的振動狀態，直觀了解系統結構振型。

4 總結

在機械電子學課程教學中運用ANSYS有限元仿真軟件，能通過真實再現各種機電系統工作的過程原理，使許多抽象的概念和公式形象化。實踐表明，引入ANSYS進行輔助教學，可以幫助學生理解課程上的難點，使學生能夠對機電系統的工作過程和特征有直觀的了解，加深其對基本理論知識和概念的理解，有效提高了機械電子學課程教學的效果和質量。

注釋

① 單中惠.杜威的反思性思維與教學理論淺析[J].清華大學教育研究，2002（1）：55-62.

② 夏雄，先禮瓊.案例教學法在土力學課程教學中的實踐與思考[J].高等建筑教育，2013，22（61）：56-59.

③ 傅志方，華宏星.模態分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2000：18-22.