基于新工科人才培養模式的課程教學改革

王娟平 袁格俠

摘? 要 為實現學生使用現代工具針對本專業領域的復雜工程問題建立等效數學模型，進行模型計算與分析的新工科人才目標，在材料力學教學中引入大型分析軟件ANSYS。ANSYS在材料力學教學及求解材料力學問題中的應用，可以幫助學生更好地理解理論知識，樹立工程意識和數字化思維，培養學生使用現代工具的能力。

關鍵詞 新工科;ANSYS;材料力學;數字化思維;教學改革

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）24-0036-04

Curriculum Teaching Reform based on New Engineering Talent Training Mode： Application of Engineering Analysis Software in?Material Mechanics Teaching//WANG Juanping， YUAN Gexia

Abstract In order to realize the new engineering talent training goal， which the talents can use modern tools to build the equivalent mathe-matical model and use this model to calculate and to analyze complex?engineering problems in the professional field， the large analysis soft-ware ANSYS was applied to the teaching of Materials Mechanics. The application of ANSYS in teaching of Materials Mechanics and problem solving of Materials Mechanics help students understand the theoretical knowledge， and set up the engineering consciousness and digital thinking， and cultivate the ability to use modern tools.

Key words new engineering; ANSYS; mechanics of materials; digi-tal thinking; teaching reform

1 引言

材料力學課程是多數工科專業（如機械、土建、交通、水利等）開設的一門專業技術基礎課，在各專業課程體系中有著重要的作用。材料力學研究構件在外力作用下的變形、受力及破壞的規律，為合理設計構件的強度、剛度和穩定性提供了理論基礎和計算方法。學習這門課程將為后續有關力學類、設計類專業課程的學習奠定良好的基礎和提供多方面的基本能力[1]，因此，材料力學在整個課程體系中起到一個承上啟下的作用。

材料力學課程中的應力、應變等概念抽象，用有限元分析軟件ANSYS可直觀地顯示結構中的應力場和應變場，幫助學生理解概念。ANSYS在材料力學教學中的作用已得到部分教師和學生的認可，例如：蘇金文[2]、郭瑞霞等[3]以及周曉敏等[4]將ANSYS用于材料力學實驗教學中，幫助學生更為直觀地了解材料在拉伸、彎曲和扭轉中的變形過程和應力分布;陳遠遠[5]將ANSYS應用到彎曲正應力的教學中;鍋彥娣等[6]、張志紅[7]總結了ANSYS軟件在材料力學教學中的優勢。本文將從ANSYS引入材料力學中的重要性、ANSYS在材料力學課堂教學中的應用及對材料力學問題求解等三方面開展研究。

2 ANSYS引入材料力學教學中的意義

課程本身特點的需要? 材料力學課程的有些概念（如內力、應力、應變）相對抽象，這些物理量看不見，又難以感受，在普通授課過程中又難以形象描繪，因此，學生難以理解。而ANSYS軟件不僅具有強大的計算能力，而且具有強大的后處理能力，可以顯示應力應變位移云圖、等值線圖，變形過程動畫和各種圖表，形象直觀，便于學生理解與掌握[7]。

力學架起了理論與工程應用之間聯系的橋梁，是與航空航天、機械、化工、建筑、能源、國防及民用等諸多行業相關的基礎學科，也是一門工程應用學科[8]。材料力學屬于工程力學的范疇，與實際工程技術聯系極為密切，其定理、定律和結論廣泛應用于各行各業的工程技術中，是解決工程實際問題的重要基礎，數值分析已經成為其三大研究方法之一。

有限元法與計算機科學發展的結果? 錢學森在《我對今日力學的認識》中指出：“今日力學是一門用計算機去回答一切宏觀的實際科學技術問題，計算方法非常重要。”[9]有限單元法是當今工程分析中最有效最廣泛應用的數值計算方法。ANSYS作為最著名通用和有效的有限元分析軟件之一，集結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體，具有強大的前處理及計算分析能力。它能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，是現代產品設計中的最流行的高級CAE工具。自1996年落戶中國以來，ANSYS以其強大的功能、可靠的質量、良好的市場聲譽，得到中國CAE界的廣泛認可和青睞，被廣泛用于機械制造、土木工程、汽車工業、水利工程、航空航天、石油化工、生物醫學等諸多領域，為各行業的設計研究作出重要貢獻[10]。

新工科人才培養目標的需要? 自2017年教育部高等教育司發布《關于開展新工科研究與實踐的通知》以來，教育界對新工科的內涵展開了討論，不僅包括“新的工科專業”，還包括“工科的新要求”。其指南中指出：要探索如何有效培養工科學生工程思維、數字化思維等素養。幾乎所有高校所有工科專業都要求學生具有使用現代工具的能力，要求學生能夠針對本專業領域的復雜問題，用現代工程工具建立等效數學模型，進行模型分析和優化。ANSYS軟件在材料力學課程中的引入，不僅能幫助學生理解基本概念、基本理論，培養學生的工程思維和數字化思維，而且能培養學生分析問題、解決問題的能力。

2 ANSYS在材料力學課堂教學中的應用實例

在圣維南原理教學中的應用? 圣維南原理是一個局部荷載等效原理，在結構的局部作用一組等效荷載，產生的影響是局部的。具體可表述為：在彈性體的一小部分邊界上，將所作用的面力作靜力等效變換，只對力作用處附近的應力有影響，對離力作用處較遠的應力幾乎無影響[1]。圣維南原理在固體力學中占有重要地位，人們利用它來放松邊界條件使問題得到簡化，并卓有成效地解決了大量邊值問題，解釋了應力集中的現象。圣維南原理所描述的現象不僅存在于固體力學學科中，而且在流體力學、傳熱學、靜電學和靜磁學等學科中也存在[11]，深刻地理解圣維南原理將為其他學科的學習提供基礎。

為了讓學生更直觀、深入地理解這一原理，在教學中利用ANSYS軟件模擬一懸臂梁端部受三種靜力等效方式作用的彎曲變形。如圖1所示，梁的具體尺寸和載荷為：梁的尺寸：80 mm×8 mm×2 mm。三種載荷：在A點作用24 N的集中力，在B點作用24 N的集中力，在A、B點分別作用12 N的集中力。

在ANSYS中建立該懸臂梁有限元模型，施加約束，分別按以上三種情況施加載荷并求解。其軸向應力等值線圖如圖2所示。從圖2可以直觀地看出，不同的等效載荷只影響力作用處附近的應力分布，對其較遠處幾乎無影響。

在彎曲應力教學中的應用? 梁的彎曲應力是梁的強度校核和梁的結構尺寸合理設計的基礎。梁的橫截面上不僅存在正應力，還存在切應力。為了形象地表達梁橫截面上彎曲正應力和彎曲切應力的分布規律，以圖1懸臂梁為例，利用ANSYS的后處理器繪制某橫截面上沿高度分布的彎曲正應力SX、切應力SXY和SXZ曲線圖，如圖3所示。從圖3中可以看出，其正應力沿高度近似線性分布，上下表面分別達到最大拉/壓應力，中性軸處為零;橫截面上z向切應力為零，只存在y向切應力，切應力為近似拋物線分布，上下兩邊為零，中性軸處最大。

圖4為梁橫截面應力等值線圖。從圖4可以看出，彎曲正應力沿寬度不變，切應力在中性軸附近，沿寬度有所變換，而在較遠處幾乎不變。這與材料力學結論幾乎一致，但不完全相同。這也說明材料力學的彎曲正應力和彎曲切應力公式適用于細長梁，而不適用于高深梁;對于細長梁來說，它的精度已經足夠。

3 ANSYS在材料力學問題求解中的應用

問題描述及材料力學解答? 如圖6所示拖架，已知桿1用鋼制成，彈性模量E1=200 GPa，橫截面A1=100 mm2，桿長l1=1 m;桿2用硬鋁制成，彈性模量E2=70 GPa，橫截面A2=250 mm2，載荷F=10 kN;在節點B處承受鉛垂載荷F的作用，試求該節點B水平與垂直距離的位移[1]。由材料力學知識經計算，節點B的水平移位ΔBx=-0.404 mm，垂直位移ΔBy=1.404 mm。在計算時使用了小變形假設。

有限元計算結果? 在ANSYS中建立有限元模型，施加邊界條件，施加載荷并求解，結果如圖7所示。從圖7中可知，B點水平位移為-0.419 707 mm，垂直位移為-1.408 37 mm，

這與材料力學的理論計算結果基本一致，說明在小變形情況下，材料力學的計算精度可滿足工程需要。

3 結論

將ANSYS應用于材料力學教學及材料力學問題的求解中，有助于學生理解基本概念和基本理論，培養學生的工程思維和數字化思維，提高學生使用現代工程工具對工程實際問題建模、計算和分析優化模型的能力，為其成為新工科人才做好準備。

參考文獻

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