基于數(shù)值模擬的材料力學(xué)教學(xué)改革探索

廖丹 袁嚴(yán)輝 鄭茂溪

【摘要】本文基于材料力學(xué)課程的學(xué)習(xí)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，借助solidworks軟件中simulation插件將數(shù)值模擬引入教學(xué)中。利用數(shù)值模擬的直觀性幫助學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握材料力學(xué)的理論知識(shí)，同時(shí)提高學(xué)生進(jìn)行力學(xué)分析的技能，為以后工作奠定基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】材料力學(xué) solidworks 教學(xué)方法

【基金項(xiàng)目】校內(nèi)教研教改項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JY201707）。

【中圖分類號(hào)】G42 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）32-0236-02

材料力學(xué)對(duì)于機(jī)械專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，涵蓋了幾種基本變形的強(qiáng)度剛度及穩(wěn)定性問(wèn)題，為后續(xù)機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)課程奠定了基礎(chǔ)。材料力學(xué)知識(shí)相比其他課程而言，需要一定的想象能力及與實(shí)際工程相結(jié)合的能力。這要求學(xué)生能充分地理解變形、應(yīng)力、應(yīng)變的概念。

目前，學(xué)生在材料力學(xué)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，對(duì)三維強(qiáng)度分析及復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)部分的理解存在很大的問(wèn)題。導(dǎo)致學(xué)生在這部分課程的學(xué)習(xí)中，聽不懂，學(xué)不會(huì)，繼而失去興趣。為了幫助學(xué)生更好更主動(dòng)地去學(xué)習(xí)，將數(shù)值模擬方法引入材料力學(xué)課堂。數(shù)值模擬的引入，能夠增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，幫助學(xué)生直觀地掌握和理解材料力學(xué)中的基本知識(shí)。

一、數(shù)值模擬簡(jiǎn)介

目前，“中國(guó)制造2025”的提出就要求研發(fā)型的制造企業(yè)將系統(tǒng)仿真數(shù)值模擬提高到戰(zhàn)略目標(biāo)的高度，并結(jié)合系統(tǒng)工程和企業(yè)運(yùn)營(yíng)要求，形成規(guī)范的產(chǎn)品研發(fā)體系。為了對(duì)仿真技術(shù)有一定的規(guī)范和要求，國(guó)家已經(jīng)出版國(guó)標(biāo)GB/T33582-2017《機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析通用規(guī)則》，這一標(biāo)準(zhǔn)適用于機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元力學(xué)分析[1]。因此，數(shù)值模擬對(duì)于高校學(xué)生來(lái)說(shuō)非常重要，不僅能夠從本質(zhì)上熟悉設(shè)計(jì)過(guò)程、直觀地理解基本原理，還可以為以后進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)工作做好鋪墊[2]。

市面上，數(shù)值模擬軟件很多，包括ansys， abaqus， soildworks， proe等。其中ansys，abaqus等專業(yè)仿真軟件雖然功能更強(qiáng)大但不易上手，solidworks simulation是solidworks軟件的一個(gè)插件，操作簡(jiǎn)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(tài)載荷三種假設(shè)，滿足材料力學(xué)的要求。因此選擇solidworks simulation進(jìn)行課堂演示和實(shí)驗(yàn)練習(xí)。

二、數(shù)值模擬在理論課中的應(yīng)用

在材料力學(xué)理論課上，主要采用PPT講授一些基本概念和例題。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中覺(jué)得非常枯燥，且難以理解。引入數(shù)值模擬部分，會(huì)更加直觀地展示給學(xué)生各種現(xiàn)象及應(yīng)力應(yīng)變的分布，幫助學(xué)生理解。

1.解釋基本變形

材料力學(xué)主要介紹拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲四種基本變形的強(qiáng)度剛度及細(xì)長(zhǎng)壓桿的穩(wěn)定性問(wèn)題。特別細(xì)長(zhǎng)壓桿穩(wěn)定性問(wèn)題，學(xué)生一直難以真正掌握，很容易與壓縮強(qiáng)度問(wèn)題混淆。圖分別用細(xì)長(zhǎng)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(zhǎng)為400mm的細(xì)長(zhǎng)桿的臨界載荷為25.4kN，而桿長(zhǎng)為40mm的短粗桿臨界載荷為2250kN，相差近100倍。

2.再現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)

由于課時(shí)有限，材料扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)等基本實(shí)驗(yàn)無(wú)法開展。學(xué)生僅靠自己的想象能力無(wú)法充分地理解整個(gè)過(guò)程。數(shù)值模擬可以幫助學(xué)生充分理解掌握這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。從圖2可以看出，在扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，軸的邊緣應(yīng)力大，而在軸線附近應(yīng)力很小趨近于0。

3.解釋現(xiàn)象

圣維南定理是彈性力學(xué)的基礎(chǔ)，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(nèi)的應(yīng)力分布，影響區(qū)域的軸向范圍為1～2個(gè)桿端的橫向尺寸，其他區(qū)域僅可視為均勻的[3]。在課程講解中，只能說(shuō)影響區(qū)域范圍內(nèi)的應(yīng)力分布非常復(fù)雜，復(fù)雜的程度卻難以說(shuō)清。利用soildworks軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析能直觀形象地以圖形的形式展示給同學(xué)，便于理解。

三、總結(jié)

將數(shù)值模擬引入材料力學(xué)教學(xué)中，可以利用數(shù)值模擬軟件的圖形顯示的直觀性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、讓學(xué)生更加深入地理解和掌握材料力學(xué)的基本知識(shí)。并且讓學(xué)生開闊了眼界，了解了解決力學(xué)問(wèn)題的一種新方法，為學(xué)生以后的工作就業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T 33582-2017，機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析通用規(guī)則[S].

[2]傅永華.有限元分析基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社、全國(guó)優(yōu)秀出版社，2003.

[3]顧曉勤，譚朝陽(yáng).材料力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.