融入CAE技術的力學課程實踐教學應用研究

張潔 馬魁 趙松 顏紅專

摘 要

本文概述了武昌工學院城市建設學院力學實踐課程的基本情況，介紹了力學實踐課程存在的問題，并對出現問題的原因進行分析，從課程考核、實踐內容和教學手段三方面提出了力學實踐課程的改革，最后舉例說明力學實踐教學。

關鍵詞

力學課程;實踐教學;CAE技術

中圖分類號： G712;TB12-4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.012

Abstract

This article summarizes the wuchang engineering institute of urban construction mechanics basic situation of practical courses，this paper introduces the mechanics problems of practical courses，and analyzes the reasons of problems，from the course assessment content and teaching method，practice three aspects proposed the mechanical practice curriculum reform，finally illustrates mechanics teaching practice.

Key Words

Mechanics course;Practical teaching;CAE technology

0 前言

武昌工學院城市建設學院土木工程專業、工程管理專業和工程造價專業都開設了力學課程，其中土木工程專業開設了理論力學、材料力學和結構力學三門力學課程，理論力學總學時是56，其中理論學時56，實驗學時0;材料力學總學時72，其中理論學時56，實驗學時16;結構力學總學時80，其中理論學時72，實驗學時8。力學課程總學時208，實踐課程課時占比不到20%，在力學的教學過程中，講授的理論課程占了絕大部分時間，而提高學生動手能力的實踐教學卻很少。通過力學實踐課程可以促進對理論知識的理解，掌握力學實踐的基本步驟，基本方法和目標，提高學生的動手和組織能力，對于培養學生解決、分析問題的能力都起到重要的作用。

1 現有力學實踐課程中存在的問題

1.1 實踐課程考核方式的問題

材料力學實驗成績和結構力學實踐成績不單獨作為課程考核，只占課程平時成績的10%，即使學生次次曠課，也能參加期末考試，并且取得學分;再者，實踐成績中實驗報告與考勤各占50%，沒有體現操作過程的分值，這樣導致學生無故缺勤實驗課，或者不自己動手做實驗。

1.2 實踐課程內容設置的問題

材料力學的實驗主要有軸向拉壓實驗、剪切實驗、扭轉實驗和彎曲試驗，這四個實驗全部為驗證性實驗;沒有綜合性實驗，設計性實驗和開放性實驗。在教師講授實驗的基礎上按照實驗報告冊的實驗步驟進行實驗操作，對理論力學知識進行驗證，實驗過程沒有體現學生的主動性，激發不了學生的創造力和學習的積極性。

結構力學的實踐課程采用計算機，應用有限元計算軟件進行桁架結構仿真分析、連續梁結構仿真分析、框架結構仿真分析以及影響線及內力包絡圖分析。結構力學實踐課程建立的計算模型是以力學的計算簡圖為依據，脫離了工程實踐。

力學具有公式難度大，知識點多，力學概念難理解的特點，很多同學掌握不了力學的基本知識，即使有部分同學在考試中取得了比較高的成績，這些同學只是就是論題，無法處理實際工程的問題。力學實踐課程在力學計算模型的基礎上進行內力、應力和變形計算，對于工程實際項目怎么簡化成力學計算模型并未展開教學，所以培養出來的學生只會對著力學計算簡圖進行計算分析，對于實際工程項目的問題卻不知從何下手。

1.3 教學手段

現有力學實驗設備只有材料力學萬能實驗機，由一個設備完成軸向拉壓、剪切、扭轉和彎曲四個實驗內容，一個自然班有將近30人，5臺儀器，5-6個人為一組進行材料力學性能實驗，其中每組學生只有一個同學有操作的機會，一個同學進行計算機控制，其他同學進行旁觀，共用實驗數據，完成實驗報告即可。

2 實踐課程改革

2.1 實踐課程的考核改革

力學的實踐課程單獨作為一門課程，編制力學實踐課程的大綱、進度計劃和任務落實表，力學實踐課程的考核成績由考勤，實踐報告，操作成績綜合給出，增加操作成績的比重，減少考勤和實踐報告成績的占比，注重實踐的動手操作能力。最終確定的考核成績=考勤（20%）+實踐報告（20%）+操作成績（60%）。

2.2 實踐內容改革

材料力學實驗可以增加組合變形、偏心拉伸、偏心壓縮、雙彎曲以及壓桿穩定，要求學生按照知識儲備以及設計實驗，編寫實驗報告中的目標、要求和步驟，可能遇到的問題以及解決方案，這樣可以激發學生想象力和創造力，提高學生的興趣，培養學生發現、分析以及處理問題的能力。

加強實踐環節，結合工程實際和專業實際，使基礎理論知識與專業技能對接，通過仿真實踐課拓展專業課的教學空間，激發學生學習興趣，增加教與學的互動性，使學生更多地了解復雜結構的試驗過程，從而更深刻地理解所學力學課程內容;通過數值仿真計算和結構力學中解析法（力法、位移法），驗證所學結構力學方法的正確性;對電算原理及有限元理論有初步認識，并開始初探性學習。比如，橋梁方向的學生，結合橋梁工程的發展現狀，按照橋梁類型布置實踐任務，學生了解工程背景和橋梁組成和構造施工圖的基礎上，對橋梁結構進行力學計算簡圖的簡化，并對結構進行內力分析;以橋梁施工為背景，進行橋梁構件吊裝施工和模板施工的力學分析。在結構力學分析時，結合Midas軟件和PKPM軟件，培養學生的計算機建模分析能力。

2.3 教學手段改革

依靠現有的實驗條件完成驗證性和綜合性實驗教學，有時會不具備相應的條件，如果單純依靠實驗設備去完成一項實驗，投入成本就會大大地提高，權衡成本與教學效果之間的關系，可以引入CAE技術，利用ANSYS軟件進行建模計算，向學生演示計算結果。采用ANSYS模擬，按照試件確定材料的彈性模量，泊松比和密度，通過加載求解后，得出試件的變形和應力變化過程，并將過程演示給學生，既可以使學生掌握實驗教學內容，又可以發揮現有計算機技術的功能。

3 實踐課程改革實例介紹

引入實際工程橋梁，提供橋梁的工程概況，地質水文條件，自然條件，從軸線、結點、支座、荷載四個方面將橋梁結構轉化為力學的計算簡圖，在力學計算簡圖的基礎上，通過有限元軟件建立計算模型，分析橋梁結構的內力。橋梁結構的力學計算簡圖如圖1所示。

3.1 ANSYS軟件介紹

ANSYS軟件是由美國開發的融結構、流體、電磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，能與CAD軟件接口，實現數據交換。軟件主要由前處理模塊（PREP7）、求解模塊（SOLUTION）和后處理模塊（POST1，POST26）三部分組成;前處理模塊可以由實體建模和網絡劃分兩部分組成，求解模塊可以定義分析類型、分析選項、載荷數據和載荷步選項，其中分析類型有結構靜力分析、結構動力學分析、結構非線性分析、動力學分析、熱分析、電磁場分析、流體動力學分析、聲場分析和壓電分析。

3.2 數值分析

利用ANSYS軟件進行連續梁有限元模型建立時，采用beam4梁單元結構單元類型，梁采用C50混凝土，彈性模型為3.45e7kpa，泊松比為0.2，主梁截面的實常數定義為“r，1，0.06， 0.0002，0.00045，0.3，0.2，，rmore，，0.00065”，梁的單元長度為1m。

在連續梁模型建立的基礎上進行加載，開始連續梁結構的求解，定義單元表命令“ETABLE，A2，SMISC，2”和“ETABLE，A8，SMISC，8”，采用命令“PLLS，A2，A8”繪制剪力圖;定義單元表命令“ETABLE，A6，SMISC，6”和“ETABLE，A12，SMISC，12”，采用命令“PLLS，A6，A12”繪制彎矩圖。連續梁的彎矩圖、剪力圖如圖2所示。

由（a）圖可以看出，原點處的截面彎矩為正的最大彎矩，其值為12.85;距原點8.72米處截面彎矩為負的最大值，其值為6.86。由（b）圖可以看出，原點處的截面剪力值為-12.43kN，為負的最大剪力值;在距原點6米的截面剪力值由11.57kN突變至-5.93kN，其中11.57kN為正的最大剪力; 在距原點9米的截面剪力值由-5.93kN突變至2.42kN，其中2.42kN為最小的剪力值。剪力圖和彎矩圖的總體形狀可以看出，均布荷載作用下彎矩圖為拋物線，剪力圖為斜直線;集中荷載會引起剪力圖的突變，彎矩圖出現尖角;在截面剪力為零時，彎矩出現極值。

3.3 結果對比分析

通過力法計算橋梁結構的內力，將得到的內力計算值與ANSYS軟件計算的內力結果進行對比，對比發現計算結果完全一致。

4 總結

基于CAE技術的力學實踐教學，不僅保證力學實踐教學目標的完成，并且使學生進一步提升自身的專業技能和實踐水平，為學生和就業市場搭建了良好的平臺，提升學生的就業能力，拓展學生的實踐范圍和就業范圍。

參考文獻

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