基于ADINA的工程力學實驗改革

華珍 王天錫 張緒貞 馬馳騁

摘 要：工程力學實驗教學部分是整個課程教學中重要的組成部分，其在整個課程中不僅起到了對理論知識的疏導理解作用更重要的對學生實際應用能力，問題分析以及創新能力的培養。傳統方式的實驗模式所能達到的教學效果已經難以滿足現如今社會的人才能力需求。文章通過運用有限元分析軟件ADINA來與傳統實驗模式結合借此來達到解決傳統模式的困境并對新的實驗教學模式進行探索。

關鍵詞：工程力學；ADINA；實驗教學模式；探索

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）02-0141-04

Abstract： The experimental teaching of engineering mechanics is an important part of the whole course teaching. It not only plays an important role in the understanding of theoretical knowledge， but also is more important to the practical application ability of the students， the analysis of problems and the cultivation of innovation ability in the whole course. The traditional teaching mode cannot meet the needs of talents in today's society. This paper uses the finite element analysis software ADINA to combine the traditional experimental model to solve the dilemma of the traditional model and explore the new model of experimental teaching.

Keywords： Engineering mechanics； ADINA； experimental teaching mode； explore

一、概述

眾所周知《工程力學》[1]是工科類學生的一門專業基礎課，課程內容實踐性強，是今后工作中解決工程實踐問題的理論基礎，同學們在學習過程中感到理論性強、抽象、知識點難以理解，對于要求學習并掌握本門課程的廣大學生而言存在著不小的難度，故高校對《工程力學》授課分為理論教學和實驗教學兩部分，旨在讓學生通過實驗課程加強學生對于理論課程所學知識的理解以及掌握程度，同時培養學生將理論知識付諸實踐的實際工程問題解決能力。

山東理工大學是以理工為主的多學科性大學，設置工程力學課程的專業多，每年大約有1000名同學選擇這門課程，由于學校實驗設備資源有限，因此不能惠及每位同學，影響了教學效果，難以滿足培養目標要求，教學質量得不到保證。而當今社會需求的人才要具備創新精神、能夠獨立解決工程實際問題能力，所以現行的培養條件跟不上社會的發展要求，這就需要我們亟待進行教學改革，增強實踐教學鍛煉機會，改進現行的實踐教學手段，以滿足社會對工程技術人才的需求。文獻[2-4]將實驗教學版塊一部分應用現有成熟的有限元軟件來進行輔助教學，來解決現在教學困境所面臨的諸多問題并取得了一定的成效。

有限元軟件ADINA具有材料力學性能的仿真模擬功能，只要在具有計算機的任何地方都可以實現力學問題中的拉壓、扭轉和彎曲等性能的實驗模擬，因此本文的目的是通過此手段對傳統的工程力學實驗教學模式進行改革，彌補設備少學生多的問題，同時可以鍛煉學生自主進行實驗設計、提升學生分析解決工程實際問題的能力。

二、軟件ADIAN[5，6]概述

ADINA軟件是現如今有限元分析軟件市場中較為成熟一款軟件。ADINA除了解決線性問題之外亦有解決非線性問題的功能，不僅可以分析解決一般的固體與流體結構，對于較為復雜的結構與設計結構場之外的多場耦合問題也同樣適用。ADINA針對教育領域發布了900-nodes的免費版本，同學們通過郵箱注冊即可免費獲得軟件和使用許可。完全滿足工程力學的教學輔助和簡單的結構結算。并且，ADIAN相較于其他有限元分析軟件對于電腦硬件的要求較為簡易，例如：ANSYS18.0僅安裝包已經超過了9G，ABAQUS6.13和NASTRAN都超過了3G，并且這三款軟件安裝步驟多，耗時長。相較之下ADINA軟件免費版本的安裝文件大小約為160M，且安裝步驟簡易，相比之下ADINA軟件的便捷性凸顯而出。正是因為ADINA軟件的便捷性，讓其得以廣泛應用，所以對于這款軟件的初學者便可輕易通過諸多渠道得到軟件的相關教程以及應用實例，使軟件的學習有跡可循從而輕易上手。

三、基于ADIAN在《工程力學》實驗中應用

根據《工程力學》課程標準分別設置的實驗為：

1. 低碳鋼拉伸和鑄鐵拉伸與壓縮實驗；

2. 低碳鋼和鑄鐵的扭轉實驗；

3. 純彎曲梁正應力電測實驗。

本文便通過ADINA軟件來對這三個實驗進行模擬，并對模擬結果與傳統實驗結果進行比較。

1. 低碳鋼拉伸和鑄鐵拉伸與壓縮實驗

本實驗主要針對了材料力學知識版塊，任何材料都有其力學性能。低碳鋼拉伸和鑄鐵拉伸與壓縮實驗便是對低碳鋼以及鑄鐵進行力學性能探究。通過儀器對兩種不同材料進行施加載荷，觀察在不斷施加載荷過程中試件的變化情況并通過計算機的到實驗數據。

實驗儀器設備：微機控制電子萬能實驗機（型號：WDW3100），表1為拉伸實驗試件原始尺寸，表2為拉伸實驗數據記錄。

經過實驗儀器不斷施加載荷之后，計算機記錄下一系列有關實驗數據，并且伴隨著實驗數據的改變不同性質的試件也在不同的階段發生著變化：低碳鋼為塑性材料，所以在試件不斷施加載荷的過程中還出現不同的階段，如圖1所示，圖像的變化大致分為四部分：彈性階段，屈服階段，強化階段以及局部變形階段。由記錄的數據可知，當所施加的載荷到達28260N時，試件進入到屈服階段，當施加載荷到達41503.33N時試件發生斷裂。

運用有限元分析軟件ADINA進行實驗模擬，其軟件的中心思想便是將問題逐漸分解來進行求解，也同樣表現在軟件運用方面。當使用軟件ADINA來對實驗試件進行建模時，便是一步步將試件解析的過程，從最開始依據試件的數據尺寸來進行建模到材料定義以及最后邊界條件的設置和施加載荷，其整個流程就如圖2所示，一步步地對整個實驗來進行深度的解析。圖3 ADINA試件拉伸模擬圖，圖4ADINA試件壓縮模擬圖。

2. 低碳鋼和鑄鐵的扭轉實驗

表3為扭轉實驗試件原始尺寸，表4為扭轉實驗數據處理結果，圖5為ADINA試件扭轉模擬圖。

3. 純彎曲梁正應力電測實驗

表5為彎曲正應力實驗應變片布片位置，圖6為ADINA純彎曲梁正應力模擬圖。

由表6可見，實測值與仿真模擬值數值誤差較小，基本吻合。從圖1至圖6的實驗仿真圖中，通過ADINA對各實驗的模擬，可以形象地看出實驗試件受力之后的變化情況。例如，在扭轉實驗中，軟件通過構建模型網格，將模型的受力通過網格的變化形象表現出來。軟件實驗的模擬，將其與工程力學課程教學有機結合起來，既發揮了計算機的數值計算功能，又與直觀的圖形顯示功能相結合，使得學生更易于理解和掌握所授課程的抽象力學概念，培養了學生的興趣，提升了學生的形象思維能力，拓寬了學生的視野，提高了教學質量和效率，同時有助于學生運用軟件進行實際工程實例分析，在一定程度上可以使學生理論聯系實際，為以后的工作打下堅實的基礎。

四、結束語

《工程力學》是一門應用性極強的理工科基礎學科，但因其理論知識的抽象性對于要求掌握的廣大學生而言是具備一定難度，所以在其教學模式上就要采取與實際相結合的實驗教學來進行。本文通過運用有限元分析軟件ADINA來進行三個基礎力學實驗模擬，并且將軟件所得的結果與傳統方式所得的結果相比較，在同時以兩種不同的方式來進行實驗所得到結果相同的情況下，發現在運用軟件進行實驗模擬的過程中會有著傳統實驗方式所不具備的優點：

1. 運用軟件ADINA對整個實驗的模擬過程中既是對實驗逐步解析的過程，這樣的過程讓學生對實驗的認識更加深刻，同時也是對所學習理論知識的又一遍梳理過程，可以達到理論知識與知識實踐應用的良好反饋。

2. 在整個建模時，會因為軟件的參數設置或者條件設置等諸多問題，學生就要自主地去解決這樣的問題，這樣在建模中就會對學生培養一種探究思維和解決問題的能力得到相應的提升。

3. 學生通過軟件就可以自行地對實驗進行模擬，這樣的實驗不僅僅局限于教學計劃之內的基礎實驗，也可以是對一些實際工程問題的模擬。對于學校而言，這樣就降低了實驗教學成本的投入，而達到更好地教學效果。

參考文獻：

[1]王延遐，沈玉鳳，張東煥，等.工程力學[M].北京：北京科學出版社，2017.

[2]王艷春.有限元分析與《工程力學》課程教學融合的探索[J].青島科技大學學報（自然科學版），2017，38（s1）：211-212.

[3]胡清明，李東升，等.有限元技術在工程力學教學中的應用探索[J].高師理科學刊，2014（5）：104.

[4]葉勇.談ANSYS與材料力學課程教學的有機結合[J].科技情報開發與經濟，2005，15（20）：216-218.

[5]趙興華.ADINA/ADINAT使用手冊[M].北京：機械工業出版社，1986.

[6]馬兆盛.ADINA程序介紹[J].機械設計與制造，1986（5）：36-39.