有限元分析軟件在結(jié)構(gòu)損傷修理課中的應(yīng)用

趙培仲等

摘要：有限元分析軟件在工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)損傷修理課作為一門為學(xué)生后續(xù)的工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)的理論課程，授課過程中，特別是在修理設(shè)計(jì)部分會涉及較多的理論推導(dǎo)和計(jì)算。為了使理論授課內(nèi)容更加直觀形象，便于學(xué)生理解接受，同時增加趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，筆者討論了在損傷修理課中有限元分析軟件的應(yīng)用問題。

關(guān)鍵詞：有限元；損傷結(jié)構(gòu)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)效果

中圖分類號：G40-057 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2015）11-0122-02

有限元分析已經(jīng)在各工程領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用，特別是一些大型的商業(yè)有限元分析軟件面市后，在工程領(lǐng)域的應(yīng)用更是不斷增加。在實(shí)際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中，有限元分析軟件已經(jīng)成為一個重要的工具。[1]借助現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有限元分析軟件具有強(qiáng)大的計(jì)算和圖形功能，可以將結(jié)構(gòu)在載荷作用下的應(yīng)力場用應(yīng)力云圖直觀、形象地表現(xiàn)出來。[2]這些直觀形象的圖，使得原來只是理論推導(dǎo)的公式和數(shù)字變得更加容易被學(xué)生理解接受。[3-6]同時，如果將有限元在實(shí)際工程或科研中的應(yīng)用實(shí)例和課堂教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，原本讓學(xué)生感覺枯燥的理論講解就會變得真實(shí)生動，進(jìn)而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和熱情，提升課堂教學(xué)效率，改善課堂教學(xué)效果。結(jié)構(gòu)損傷修理課是為后續(xù)工程實(shí)踐打基礎(chǔ)的理論課，其中涉及較多的理論計(jì)算分析，特別是修理設(shè)計(jì)部分，因此，本文主要討論借助有限元分析的強(qiáng)大功能，力圖使抽象的內(nèi)容具體化、形象化，使學(xué)生更容易理解掌握理論知識。

在損傷修理設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

修理設(shè)計(jì)是在損傷評估的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算分析等手段確定修理方法、修理形式以及材料選用的過程。采用復(fù)合材料粘接修理金屬損傷結(jié)構(gòu)是一種新的結(jié)構(gòu)損傷修理方法。在修理設(shè)計(jì)中往往會涉及一些理論計(jì)算和公式的推導(dǎo)，如果僅僅靠教師的語言講解分析和推導(dǎo)過程，容易使學(xué)生感到枯燥。而利用有限元的數(shù)值分析和圖形顯示功能，則可以非常直觀形象地說明問題，便于學(xué)生接受。

比如，在粘接修理中通常包括單面粘接和雙面粘接兩種修理形式（如圖1）。單面粘接由于結(jié)構(gòu)不對稱，導(dǎo)致偏心載荷，引起彎矩。雙面粘接由于對稱性，則不會產(chǎn)生偏心彎矩。通過受力分析，學(xué)生也能明白不對稱帶來的偏心彎矩問題。但是，他們難以意識到偏心可能帶來的結(jié)構(gòu)的影響。利用有限元分析軟件則可以使學(xué)生非常容易明白，單面粘接對修理的不利影響（如圖2），并且會有深刻的印象?；诖?，教師可告訴學(xué)生，在有條件進(jìn)行雙面粘接修理的時候，盡量采取雙面粘接修理，使他們清楚設(shè)計(jì)中的一些原則。

在選材中的應(yīng)用

在修理設(shè)計(jì)的教學(xué)中，一個重要的部分是選材問題。修理形式和修理材料的選擇往往是相互關(guān)聯(lián)的。我們?nèi)匀灰哉辰有蘩頌槔齺碚f明。

對于膠黏劑材料的選擇也可以通過有限元分析進(jìn)行講解。在粘接修理中，膠黏劑是將補(bǔ)片和損傷結(jié)構(gòu)連接起來的關(guān)鍵部分。它的用量較少，但膠黏劑層的作用卻是非常關(guān)鍵的，其應(yīng)力分布情況對修理后結(jié)構(gòu)有非常重要的影響。膠黏劑自身的力學(xué)性能將會直接影響到膠黏劑層的應(yīng)力分布情況。可具體應(yīng)力怎么分布，膠黏劑的性能對應(yīng)力分布又會產(chǎn)生什么影響，教師很難通過口頭的講解使學(xué)生建立起明確的概念。而借助有限元分析軟件，則可以調(diào)整膠黏劑材料的力學(xué)性能參數(shù)，進(jìn)而分析相應(yīng)的應(yīng)力分布情況。通過不同的應(yīng)力云圖的對比，學(xué)生可以非常直觀地看到膠黏劑層應(yīng)力的分布情況，也就可以明白膠黏劑層的關(guān)鍵作用。

借助有限元分析軟件還可以就補(bǔ)片的幾何形狀、補(bǔ)片的力學(xué)性能等其他一些問題進(jìn)行講解。同樣的道理，有了直觀形象的圖，而且通過參數(shù)的設(shè)置還能夠?qū)?yīng)力的變化規(guī)律展示給學(xué)生，學(xué)生理解掌握起來就會很容易。同時，還會激發(fā)他們學(xué)習(xí)的熱情和興趣。

結(jié)論

在結(jié)構(gòu)損傷修理課中，借助有限元分析軟件，利用應(yīng)力云圖，能直觀形象地展示理論內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)熱情。同時，改變設(shè)計(jì)參數(shù)，比較不同的設(shè)計(jì)可能的應(yīng)力分布，能使學(xué)生明白設(shè)計(jì)的重要性，并且掌握原則規(guī)律。有限元分析軟件在課堂中的運(yùn)用使抽象內(nèi)容變得直觀，增強(qiáng)了教學(xué)效果，同時也進(jìn)一步豐富了教學(xué)手段和方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]趙連華.基于VB和ANSYS的《材料力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)》系統(tǒng)[J].長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，7（1）：23-25.

[3]何山，李勇偉，黃嵩.有限元軟件在電機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2008，18（3）：125-128.

[4]李順才，王學(xué)峰，楊闖.ANSYS軟件在材料力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，9（1）：65-66.

[5]謝華剛.在力學(xué)教學(xué)中應(yīng)用有限元ANSYS軟件的優(yōu)越性分析[J].高等教育研究（成都），2011，28（4）：67-68.

[6]嚴(yán)心池，王中華.現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中的有限元法[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào)（教育科學(xué)版），2007（4）：12.