有限元技術在流體機械強度計算教學中的應用

張寧　李忠

摘 要 針對流體機械強度計算教學中常規教學方法的不足及局限性，為了促進學生對理論知識的理解，提升學生采用現代有限元技術解決工程問題的能力，提高教學質量，在該門課程中引入現代有限元技術。以翼型強度校核的教學內容為例，詳細說明有限元技術在強度校核中的應用。教學反饋表明：針對強度校核問題，有限元技術計算速度快、直觀性好，學生入門容易，課堂氛圍被有效調動，教學質量得到明顯提高。

關鍵詞 流體機械 強度校核 有限元

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2018.10.038

Application of Finite Element Technology in the Teaching of

Fluid Mechanical Strength Calculation

ZHANG Ning， LI Zhong

（School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013）

Abstract In view of the shortcomings and limitations of conventional teaching methods in fluid mechanical strength calculation， in order to promote students' understanding of theoretical knowledge， improve students' ability to solve engineering problems with modern finite element technology， and improve teaching quality， modern finite element technology is introduced in the course. Taking the teaching content of airfoil strength check as an example， the application of finite element technology in strength check is explained in detail. The teaching feedback shows that for the strength check problem， the finite element technology is fast and intuitive， the students are easy to get started， the classroom atmosphere is effectively mobilized， and the teaching quality is obviously improved.

Keywords fluid mechanical； strength check； finite element

0 前言

流體機械強度計算是流體機械方向本科生的必修課程，該課程涉及到數學、力學、結構學等多學科知識，概念復雜，理論公式繁瑣，往往導致課堂教學內容枯燥，學生積極性不高，教師和學生互動差，教學質量不高。[1-2]此外，流體機械強度校核是一門工程性很強的課程，往往要求學生能夠解決實際的工程強度問題。然而，常規教學中涉及的理論、經驗公式局限性較大，僅能針對特定的、簡單的零部件，通用性較差。流體機械涉及的泵型多，結構復雜，現有的強度校核理論局限性明顯，導致學生難以學以致用。有限元軟件Ansys-workbench經過多年的完善可以有效地解決復雜模型的強度校核問題，在現工程領域得到廣泛的應用。[3-4]因此，在流體機械強度計算課堂中引進有限元方法，可以有效地提升學生解決工程問題的能力，提高教學質量，本文擬以簡單翼型模型的強度校核為例，探討有限元方法在流體機械強度計算課堂中的應用。

1Ansys-workbench在課堂教學中的應用

Ansys-workbench是一款通用的有限元軟件，對于任何強度校核問題，其一般遵循以下步驟：三維建模-網格劃分-約束施加-載荷加載-計算-結果分析。下面以翼型強度校核問題為例，說明Ansys-workbench在課堂教學中的應用。

圖1給出了翼型三維模型，該模型采用三維建模工具Pro/E完成。

進入Ansys-workbench軟件后，打開強度校核模塊（static structural），其主要包括5個部分，分別為材料屬性定義；幾何模型導入；計算設置；求解和結果顯示，如圖2所示。

定義完材料屬性，并導入三維模型后，接下來進入model模塊，進行網格劃分、約束施加、載荷給定、計算等步驟。圖3給出了翼型網格圖，采用自動網格劃分技術完成，單元尺寸定義為6mm。

約束是結構強度校核非常關鍵的步驟，一定要和物理模型受到的真正約束逼近，才能得到理想的結果。Ansys-workbench軟件中提供了多種約束，可根據模型實際要求選擇使用。本例中翼型的約束選擇為固定約束，約束面為翼型的兩個端面，此外在翼型的突面施加1MPa的壓力載荷，以此來分析該約束、載荷下翼型的受力、變形情況。

圖4為Ansys-workbench軟件計算得到的翼型變形圖，可以看出翼型的最大變形位置位于翼型中心部位，且呈現對稱分布特征，最大變形量為1.9mm左右，在接近約束位置的翼型端面處，變形量最小，幾乎為0。

圖5給出了翼型在該約束、載荷下，等效應力的分布情況，可以看出等效應力分布呈現對稱特性，最大值出現在翼型端部，此外在翼型中心附近，等效應力也較大。從云圖可知等效應力最大值為323MPa左右。

從以上結果可知：有限元技術在求解強度問題時，具有良好的直觀性、便捷性，從變形、應力等分布云圖中可以非常直觀地得到模型的最大應力分布位置及數值大小，再根據相關理論判斷模型設計是否合理，是否滿足強度要求。在熟練掌握有限元技術后，學生可以利用軟件解決復雜工程問題，此外將有限元技術引進課堂后，可以有效地活躍課堂氛圍，改變傳統的單向知識灌輸模式，提高課堂趣味性，最終提高教學質量，促進學生掌握解決工程實際問題的能力。

2 結束語

針對流體機械強度計算課程涉及知識面廣、理論公式復雜、學生學習困難等問題，將有限元計算軟件Ansys-workbench引入課堂教學中，通過可視化、直觀化的教學方法，讓學生掌握強度計算的核心理論知識，提高學生解決工程實際問題的能力。最終達到提升學生的學習興趣和課堂的教學質量目的，同時為流體機械強度計算教學的改革提供了一個可操作的新方法。

參考文獻

[1] 周文杰. MATLAB 仿真軟件在流體機械振動課程教學中的應用[J].科教導刊，2017（15）：67-68.

[2] 代翠，高波，康燦，楊敏官.面向流體機械專業的流體機械強度計算課程改革[J].科技創新導報，2016（10）：129-130.

[3] 康燦，楊敏官.測試技術課程改革與卓越工程師能力培養[J].中國現代教育裝備，2012.1（137）：47-49.

[4] 宋佩維.卓越工程師創新能力培養的思路與途徑[J].中國電力教育，2011.7：25-27.