基于數值模擬的材料力學教學改革探索

廖丹 袁嚴輝 鄭茂溪

【摘要】本文基于材料力學課程的學習難點的基礎上，借助solidworks軟件中simulation插件將數值模擬引入教學中。利用數值模擬的直觀性幫助學生學習并掌握材料力學的理論知識，同時提高學生進行力學分析的技能，為以后工作奠定基礎。

【關鍵詞】材料力學 solidworks 教學方法

【基金項目】校內教研教改項目（項目編號：JY201707）。

【中圖分類號】G42 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）32-0236-02

材料力學對于機械專業的學生來說，是一門非常重要的專業基礎課程，涵蓋了幾種基本變形的強度剛度及穩定性問題，為后續機械設計等專業課程奠定了基礎。材料力學知識相比其他課程而言，需要一定的想象能力及與實際工程相結合的能力。這要求學生能充分地理解變形、應力、應變的概念。

目前，學生在材料力學學習的過程中，對三維強度分析及復雜應力狀態部分的理解存在很大的問題。導致學生在這部分課程的學習中，聽不懂，學不會，繼而失去興趣。為了幫助學生更好更主動地去學習，將數值模擬方法引入材料力學課堂。數值模擬的引入，能夠增加學生學習的興趣，幫助學生直觀地掌握和理解材料力學中的基本知識。

一、數值模擬簡介

目前，“中國制造2025”的提出就要求研發型的制造企業將系統仿真數值模擬提高到戰略目標的高度，并結合系統工程和企業運營要求，形成規范的產品研發體系。為了對仿真技術有一定的規范和要求，國家已經出版國標GB/T33582-2017《機械產品結構有限元力學分析通用規則》，這一標準適用于機械產品結構的有限元力學分析[1]。因此，數值模擬對于高校學生來說非常重要，不僅能夠從本質上熟悉設計過程、直觀地理解基本原理，還可以為以后進行設計研發工作做好鋪墊[2]。

市面上，數值模擬軟件很多，包括ansys， abaqus， soildworks， proe等。其中ansys，abaqus等專業仿真軟件雖然功能更強大但不易上手，solidworks simulation是solidworks軟件的一個插件，操作簡單易于上手。而且該插件是基于：（1）材料是線性，（2）小變形，（3）靜態載荷三種假設，滿足材料力學的要求。因此選擇solidworks simulation進行課堂演示和實驗練習。

二、數值模擬在理論課中的應用

在材料力學理論課上，主要采用PPT講授一些基本概念和例題。學生在學習的過程中覺得非常枯燥，且難以理解。引入數值模擬部分，會更加直觀地展示給學生各種現象及應力應變的分布，幫助學生理解。

1.解釋基本變形

材料力學主要介紹拉壓、剪切、扭轉、彎曲四種基本變形的強度剛度及細長壓桿的穩定性問題。特別細長壓桿穩定性問題，學生一直難以真正掌握，很容易與壓縮強度問題混淆。圖分別用細長桿和短粗桿做屈曲分析。從圖1中可看出，在同樣的橫截面情況下，桿長為400mm的細長桿的臨界載荷為25.4kN，而桿長為40mm的短粗桿臨界載荷為2250kN，相差近100倍。

2.再現物理實驗

由于課時有限，材料扭轉實驗等基本實驗無法開展。學生僅靠自己的想象能力無法充分地理解整個過程。數值模擬可以幫助學生充分理解掌握這些實驗現象。從圖2可以看出，在扭轉變形時，軸的邊緣應力大，而在軸線附近應力很小趨近于0。

3.解釋現象

圣維南定理是彈性力學的基礎，它指出了力作用于桿端的分布方式，只影響桿端局部范圍內的應力分布，影響區域的軸向范圍為1～2個桿端的橫向尺寸，其他區域僅可視為均勻的[3]。在課程講解中，只能說影響區域范圍內的應力分布非常復雜，復雜的程度卻難以說清。利用soildworks軟件進行數值模擬分析能直觀形象地以圖形的形式展示給同學，便于理解。

三、總結

將數值模擬引入材料力學教學中，可以利用數值模擬軟件的圖形顯示的直觀性，提高學生學習的興趣、讓學生更加深入地理解和掌握材料力學的基本知識。并且讓學生開闊了眼界，了解了解決力學問題的一種新方法，為學生以后的工作就業奠定了基礎。

參考文獻：

[1]GB/T 33582-2017，機械產品結構有限元力學分析通用規則[S].

[2]傅永華.有限元分析基礎[M].武漢：武漢大學出版社、全國優秀出版社，2003.

[3]顧曉勤，譚朝陽.材料力學[M].北京：機械工業出版社，2011.