ABAQUS在材料力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用展望

孔祥清+翟城+章文嬌+曲艷東

摘 要：本文對有限元軟件ABAQUS在材料力學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)如果能很好地將ABAQUS與材料力學(xué)教學(xué)相結(jié)合，不僅可以將材料力學(xué)中抽象理論可視化，而且還能用于模擬材料力學(xué)實驗，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)的興趣，還可增強(qiáng)學(xué)生對工程實際問題的感性認(rèn)識，為其將來能更好地解決工程實際問題打下扎實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)；ABAQUS；數(shù)值模擬

一、前言

隨著高等教育教學(xué)改革的不斷深入，傳統(tǒng)的材料力學(xué)教學(xué)體系已暴露出許多不合理的地方，為了適應(yīng)形勢，國內(nèi)許多工科院校都在材料力學(xué)課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面開展了卓有成效的研究。當(dāng)前，計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)值計算方法的發(fā)展給材料力學(xué)的發(fā)展和教育帶來了深刻影響。因而在材料力學(xué)的教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)這種科技發(fā)展趨勢，在原有的課程體系中融合新的計算技術(shù)，引進(jìn)新的計算工具，從而提高教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)學(xué)生的建模和計算能力，拓寬學(xué)生的知識面，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。為此，筆者對ABAQUS在材料力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了一些探索。

二、ABAQUS有限元技術(shù)簡介

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬軟件得到了空前的發(fā)展。目前比較常用的數(shù)值模擬軟件是基于有限元原理的ABAQUS、ANSYS、MARC等，這些有限元軟件具有強(qiáng)大的前處理及后處理功能，對于模擬基礎(chǔ)力學(xué)中的實驗非常有利，特別是大型通用有限元軟件ABAQUS，它是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。ABAQUS包括一個豐富、可模擬任意幾何形狀的單元庫，擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料。作為通用的模擬工具，ABAQUS除了能解決大量結(jié)構(gòu)（應(yīng)力/位移）問題，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問題，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析（流體滲透/應(yīng)力耦合分析）及壓電介質(zhì)分析。很多高校已經(jīng)將ABAQUS作為本科生和研究生的必修課程。

三、ABAQUS應(yīng)用于材料力學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢

1.將抽象理論可視化

對于工科學(xué)生來說，材料力學(xué)中的概念較多，并且一些概念比較抽象且容易混淆，如內(nèi)力、應(yīng)力、應(yīng)變、變形、位移、應(yīng)力狀態(tài)等，初學(xué)者往往難以理解。同時，在諸如梁的平面彎曲應(yīng)力及變形構(gòu)件的組合變形等許多章節(jié)的教學(xué)過程中，需要推導(dǎo)相關(guān)的公式，涉及到復(fù)雜的幾何和數(shù)學(xué)知識，包含了大量幾何要素和空間位置關(guān)系，如彎曲梁橫截面的應(yīng)力分布規(guī)律、平面彎曲梁的變形、圓軸彎扭組合變形時應(yīng)力分布規(guī)律等。對于這些內(nèi)容，傳統(tǒng)教學(xué)方法單純通過教師口頭講解和板書繪圖，不僅浪費(fèi)時間而且不易于學(xué)生理解，導(dǎo)致學(xué)生普遍感到材料力學(xué)課程理論枯燥、難懂。而ABAQUS具有直觀形象的圖形顯示功能，可將抽象的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為形象生動的圖形。在教學(xué)過程中借助于ABAQUS軟件，將原本抽象的力學(xué)理論和枯燥乏味的概念直觀化、形象化，通過圖形、動畫等形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，這將有助于提高學(xué)生的形象思維能力，幫助學(xué)生理解教材內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生分析結(jié)構(gòu)的能力。

2.材料力學(xué)實驗?zāi)M

材料力學(xué)作為一門實踐性較強(qiáng)的學(xué)科，需要將實驗分析和理論研究緊密結(jié)合。但是目前材料力學(xué)實驗教與學(xué)的過程中普遍存在重理論輕實驗的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了力學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量。大多數(shù)學(xué)校受實驗條件及學(xué)時壓縮等因素的制約，將材料力學(xué)實驗課的內(nèi)容進(jìn)行了很大部分的刪減，保留下來的實驗項目也大都是演示性實驗，通常是七八個學(xué)生一組，共用一根試件進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲等實驗，在此過程中大部分學(xué)生只是被動地完成了實驗，而無法真正親自參與實驗，這就限制了對學(xué)生的動手能力以及遇到問題時分析問題、思考問題、解決問題的能力的培養(yǎng)。材料力學(xué)實驗所需要的實驗設(shè)備價格昂貴，大都為破壞性實驗，需耗費(fèi)大量試件，因此不便于重復(fù)進(jìn)行。另外，還有很多力學(xué)過程并不能在實驗室演示，如應(yīng)力集中現(xiàn)象、構(gòu)件組合變形、壓桿失穩(wěn)等。以上這些問題的出現(xiàn)必然影響材料力學(xué)的整體教學(xué)水平。

基于以上問題，充分利用ABAQUS的計算和分析優(yōu)勢，將材料力學(xué)實驗教學(xué)與ABAQUS的數(shù)值仿真技術(shù)結(jié)合起來，利用其強(qiáng)大的建模及分析能力，演示力學(xué)過程和問題分析過程，尤其是借助于ABAQUS中的后處理模塊，能以動畫的形式動態(tài)顯示結(jié)構(gòu)從加載到變形直至破壞的全過程，這相當(dāng)于將力學(xué)實驗室搬到了課堂進(jìn)行現(xiàn)場演示，而且模擬力學(xué)實驗過程可以重復(fù)進(jìn)行多次，這也是比實際實驗優(yōu)越的一面。學(xué)生在重復(fù)的過程中對一些現(xiàn)象進(jìn)行深入的探索、研究，從而啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，甚至幫助學(xué)生完成目前很多高校力學(xué)實驗室不能展開的重要力學(xué)實驗，例如，扭轉(zhuǎn)、壓桿穩(wěn)定等實驗?？傊瑢BAQUS應(yīng)用到材料力學(xué)實驗教學(xué)中，是對完善傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式的一種嘗試。用該數(shù)值試驗補(bǔ)充常規(guī)的物理實驗，注重創(chuàng)新探索性，不但有助于學(xué)生對力學(xué)基礎(chǔ)知識的理解，有利于學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，而且能夠在教學(xué)過程中啟發(fā)學(xué)生，使理論與實踐相結(jié)合，達(dá)到形式、內(nèi)容和結(jié)果的新穎性。

四、結(jié)論

將ABAQUS應(yīng)用于材料力學(xué)教學(xué)中，對相關(guān)材料力學(xué)問題及實驗現(xiàn)象進(jìn)行分析計算，能使學(xué)生更容易理解知識，也激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，更為他們今后更進(jìn)一步深造或走上工作崗位后應(yīng)用有限元技術(shù)解決工程中許多實際問題打下良好的基礎(chǔ)。