材料力學(xué)概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)

龍連春，劉海宏，楊慶生

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100124）

材料力學(xué)是傳統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)課，通過(guò)理論的講解、推演使學(xué)生掌握力學(xué)基本理論，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)理論的理解。但材料力學(xué)或工程力學(xué)課程設(shè)置的實(shí)驗(yàn)數(shù)量非常有限，往往只有幾個(gè)學(xué)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

國(guó)外在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬技術(shù)已經(jīng)比較常見(jiàn)，將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，國(guó)內(nèi)同行做了一些有益的嘗試。國(guó)內(nèi)一些高校已開(kāi)發(fā)出一些模擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［1］，如:螺栓組受力分析及變形分析模擬實(shí)驗(yàn)、減速器裝卸模擬實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能仿真實(shí)驗(yàn)、破壞過(guò)程數(shù)值實(shí)驗(yàn)［2］等。其中:李茜等［3］介紹了數(shù)值實(shí)驗(yàn)的步驟、特點(diǎn)及其在計(jì)算物理課程中的地位，針對(duì)課程教學(xué)中存在的一些問(wèn)題，提出如何重視加強(qiáng)數(shù)值實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的做法和建議；趙亞?wèn)|［4］針對(duì)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)室規(guī)模較小與教學(xué)任務(wù)繁重的突出矛盾，以建立虛擬實(shí)驗(yàn)室為突破口對(duì)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了嘗試，分析了虛擬實(shí)驗(yàn)的功能特點(diǎn)，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?dòng)手操作能力的培養(yǎng)；王濤等［5］論述了創(chuàng)建數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的必要性，介紹了開(kāi)發(fā)的2個(gè)材料力學(xué)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)取得的成效，提出了進(jìn)一步推進(jìn)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)想；趙連華［6］應(yīng)用ALGOR 有限元分析軟件和Authorware開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)包括拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、剪切、彎曲、壓桿穩(wěn)定、沖擊實(shí)驗(yàn)的材料力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，并將材料力學(xué)的教學(xué)與ALGOR 的數(shù)值仿真技術(shù)結(jié)合起來(lái)，提高了教學(xué)效果，彌補(bǔ)了因?qū)嶒?yàn)設(shè)備短缺對(duì)教學(xué)的影響；卞步喜［7］利用材料力學(xué)多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源系統(tǒng)解決了由于學(xué)生與教師交流時(shí)間短、實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能及時(shí)更新等問(wèn)題，開(kāi)展了創(chuàng)新模擬實(shí)驗(yàn)；鄧勁蓮等［8－10］提出把現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和仿真技術(shù)運(yùn)用到理論力學(xué)多媒體教學(xué)中，該形象直觀的教學(xué)模式是增強(qiáng)理論力學(xué)教學(xué)效果的有效手段之一，其動(dòng)態(tài)效果和課堂實(shí)施性能好，使教學(xué)形式多樣化，獲得傳統(tǒng)教學(xué)所沒(méi)有的現(xiàn)場(chǎng)效果，更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的。

從以上現(xiàn)狀可以看出:數(shù)值實(shí)驗(yàn)這種新的、具有創(chuàng)新意義的實(shí)驗(yàn)手段正受到越來(lái)越多的重視，但也存在一些問(wèn)題［11－12］，如:缺少系統(tǒng)性的應(yīng)用與研究，針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單力學(xué)問(wèn)題，數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容不明確，系統(tǒng)性學(xué)習(xí)一個(gè)有限元分析軟件需要花大量時(shí)間和精力，資料數(shù)據(jù)浩大，學(xué)生開(kāi)始時(shí)往往感到無(wú)從下手等。而材料力學(xué)概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題，能在盡可能少的學(xué)時(shí)內(nèi)，讓學(xué)生掌握模擬實(shí)驗(yàn)方法，無(wú)需了解商業(yè)有限元分析軟件的使用，即可以使用商用軟件ANSYS進(jìn)行材料力學(xué)或工程力學(xué)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的目的是通過(guò)對(duì)材料力學(xué)基本概念的有限元模擬及結(jié)果顯示，增加對(duì)材料力學(xué)的教學(xué)及基本概念的理解，使材料力學(xué)中的一些基本力學(xué)概念以更加直觀的方式呈現(xiàn)在學(xué)生面前。目前系統(tǒng)的功能包括集中力作用下梁的分析（其中梁的截面包括矩形截面、圓截面、圓環(huán)截面、工字型截面、回型截面、T 型截面、L型截面、槽型截面和Z 型截面）、應(yīng)力集中分析、圣維南原理分析、熱膨脹分析、純扭轉(zhuǎn)分析以及圓形截面、圓環(huán)截面和方形截面壓桿的軸壓屈曲分析。系統(tǒng)可以通過(guò)簡(jiǎn)潔的界面輸入基本參數(shù)值，封裝調(diào)用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理，把理論結(jié)論通過(guò)有限元計(jì)算即后處理的方法可視化展現(xiàn)出來(lái)。其中輸入界面采用VB6.0進(jìn)行編輯，直觀、方便，并且有很好的交互性，學(xué)生只要有材料力學(xué)的基本知識(shí)，而不需要掌握有限元的知識(shí)和ANSYS的使用方法就能夠方便、快捷地建立基本分析模型，并演示出最終結(jié)果。材料力學(xué)概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)界面如圖1所示。

圖1 材料力學(xué)概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)界面

2 VB封裝ANSYS的實(shí)現(xiàn)

為了使學(xué)生在使用該系統(tǒng)的同時(shí)無(wú)需接觸了解ANSYS軟件，系統(tǒng)采用完全封裝的方法設(shè)計(jì)，即只需要用戶點(diǎn)擊本軟件的界面選項(xiàng)，不需要在ANSYS軟件中作任何操作，其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)介如下。

2.1 VB與ANSYS接口程序

VB調(diào)用ANSYS的方法有很多種，本文采用的是shell的方式。相關(guān)的調(diào)用程序?yàn)?

其中XXX.txt為載入的文件，即在VB 中形成的可由ANSYS調(diào)用的參數(shù)化命令流文件。

2.2 判斷ANSYS計(jì)算過(guò)程結(jié)束

判斷ANSYS計(jì)算結(jié)束的標(biāo)志可以利用判斷ANSYS是否生成了err文件，但這種方法不能夠精確地判斷ANSYS 結(jié)束的時(shí)間。本軟件采用的方法是在ANSYS計(jì)算完成以后，通過(guò)ANSYS生成一個(gè)文本文件，用VB 程序來(lái)判斷此文件是否生成的方法判斷ANSYS計(jì)算是否結(jié)束。相關(guān)的APDL語(yǔ)言為:

此段命令流最后生成，是利用ANSYS生成一個(gè)名為end.txt文件，如果這個(gè)文件形成，則ANSYS計(jì)算完成。

2.3 查看結(jié)果

利用ANSYS后處理模塊把應(yīng)力圖和變形圖等結(jié)果報(bào)告及相關(guān)數(shù)據(jù)放入結(jié)果文件夾，在VB 中采用load的方法調(diào)用這些圖片和結(jié)果報(bào)告，就可以在VB界面中方便地查看ANSYS計(jì)算結(jié)果。

3 利用材料力學(xué)概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)加強(qiáng)對(duì)基本概念的直觀認(rèn)識(shí)

3.1 數(shù)值實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)對(duì)基本概念的理解

材料力學(xué)概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)包括了材料力學(xué)中大多數(shù)重要的基本概念。在教學(xué)中，學(xué)生剛接觸材料力學(xué)課程，還不能在頭腦中形成直觀的概念，因此對(duì)課程內(nèi)容難以理解。材料力學(xué)概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)提供了直觀、方便的輸入方式和比較完善的結(jié)果顯示窗口，可使學(xué)生對(duì)材料力學(xué)概念有一個(gè)較全面的感性認(rèn)識(shí)。以材料力學(xué)中圣維南原理為例，圣維南原理表明:分布于彈性體上一小塊面積（或體積）內(nèi)的載荷所引起的物體中的應(yīng)力，在離載荷作用區(qū)稍遠(yuǎn)的地方，基本上只與載荷的合力或合力矩有關(guān)。這個(gè)概念就不太容易理解，而在分析系統(tǒng)中，我們只要選擇圣維南原理這個(gè)模塊，輸入簡(jiǎn)單的材料參數(shù)和力的參數(shù)就可以迅速得到結(jié)果，輸入界面如圖2所示。力的加載方式分別為第1塊板為一個(gè)集中力，第2塊板為把集中力分為等效的2個(gè)力，第3塊板為等效的均布力。通過(guò)對(duì)比3塊矩形板中應(yīng)力分布發(fā)現(xiàn):雖然受力方式不同，只要等效力一致，就可以在離受力端稍遠(yuǎn)的位置產(chǎn)生相同的應(yīng)力，如圖3所示。這種圖像對(duì)比可以給學(xué)生直觀、形象的解釋，使這個(gè)概念更加容易被學(xué)生接受。又例如，應(yīng)力在梁截面上的分布規(guī)律，書(shū)上只給了一些計(jì)算結(jié)論，而使用系統(tǒng)中集中力作用下梁的受力分析這個(gè)模塊，選擇相應(yīng)的梁截面，計(jì)算出結(jié)果后，只要點(diǎn)擊梁截面應(yīng)力分布這個(gè)按鈕就可以很方便地查看梁截面的應(yīng)力分布，如圖4（以矩形梁為例）所示。通過(guò)梁截面的應(yīng)力云圖顯示，可以讓學(xué)生在感官上理解應(yīng)力在梁截面上的分布情況。在材料力學(xué)教學(xué)中出現(xiàn)的概念問(wèn)題基本都可以使用本系統(tǒng)對(duì)概念形象化描述，使力學(xué)知識(shí)更加易于讓學(xué)生接受，加深了學(xué)生對(duì)這些概念的理解。

圖2 圣維南原理的輸入界面

圖3 圣維南原理的應(yīng)力云圖

圖4 矩形截面梁應(yīng)力分布

3.2 數(shù)值實(shí)驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例

目前該系統(tǒng)可以對(duì)多種基本問(wèn)題進(jìn)行模擬分析，如矩形截面、圓截面、圓環(huán)截面、工字型截面、回型截面、T 型截面、L型截面、槽型截面和Z 型截面梁進(jìn)行形心加載和彎心加載分析，支座可以是懸臂梁或簡(jiǎn)支梁；系統(tǒng)還包括應(yīng)力集中分析、圣維南原理分析、熱膨脹分析、純扭轉(zhuǎn)分析以及圓形截面、圓環(huán)截面和方形截面壓桿的軸壓穩(wěn)定性分析。圖1（b）顯示了目前該軟件的主要功能。這里以“應(yīng)力集中分析”簡(jiǎn)介軟件的使用過(guò)程為例介紹使用步驟。

第1步:雙擊軟件運(yùn)行進(jìn)入如圖1的主界面，在用戶名一欄填入“Stress Concentration”；在選擇ANSYS安裝盤符一欄選擇ANSYS所安裝的盤符；在ANSYS的版本信息一欄選擇ANSYS的版本號(hào)；點(diǎn)擊“確定”。

第2步:選擇“分析類型”中的“應(yīng)力集中分析”，進(jìn)入應(yīng)力集中分析界面，在欄內(nèi)填入數(shù)據(jù)（如圖5所示），然后點(diǎn)擊“生成命令流文件”；再點(diǎn)擊“調(diào)用ANSYS計(jì)算”，ANSYS計(jì)算完畢后會(huì)彈出“計(jì)算完畢”窗口。

圖5 應(yīng)力集中分析輸入界面

第3步:點(diǎn)擊“查看模型圖”、“查看變形圖”及“查看應(yīng)力圖”，最后可點(diǎn)擊“生成報(bào)告”。報(bào)告中包括數(shù)據(jù)的基本信息（如圖6 所示）、模型圖、應(yīng)力云圖和應(yīng)變圖，應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖6 應(yīng)力集中數(shù)據(jù)的基本信息

第4步:可以改變圖5中輸入界面的參數(shù)，重新計(jì)算，分析主要參數(shù)對(duì)應(yīng)力集中的影響。

圖7 應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

材料力學(xué)概念數(shù)值模擬分析系統(tǒng)提供了一種基于VB調(diào)用ANSYS來(lái)解決材料力學(xué)中基礎(chǔ)問(wèn)題的方法，編制了友好的交互界面，并實(shí)現(xiàn)參數(shù)化輸入和結(jié)果輸出，在材料力學(xué)的教學(xué)中增加了學(xué)生的直觀認(rèn)識(shí)。雖然對(duì)基本概念的模擬與仿真表示的功能還在不斷增加中，但系統(tǒng)框架、實(shí)現(xiàn)方式、學(xué)生試用等工作都已開(kāi)展。通過(guò)使用本仿真平臺(tái)，使學(xué)生不僅對(duì)材料力學(xué)基本概念有更加直觀形象的理解，同時(shí)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更加快速和牢固地掌握材料力學(xué)的基本知識(shí)。

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