淺談?dòng)?jì)算機(jī)軟件與“理論力學(xué)”相結(jié)合的教學(xué)探索

呂 尤，明 哲，辛志遐，張彥民，郎豐饒

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，吉林132101）

淺談?dòng)?jì)算機(jī)軟件與“理論力學(xué)”相結(jié)合的教學(xué)探索

呂 尤，明 哲，辛志遐，張彥民，郎豐饒

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，吉林132101）

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的不斷提高，理論力學(xué)作為一門經(jīng)典力學(xué)課程，無論是板書式的教學(xué)方式，還是多媒體式的教學(xué)方式，都無法充分展現(xiàn)理論力學(xué)課程所講授內(nèi)容的理想效果，亟需更加先進(jìn)的教學(xué)手段。本文著重研究MSC. NASTRAN、PRO/E和ANSYS/LS-DYNA等計(jì)算機(jī)軟件與理論力學(xué)課程中的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，采用此種教學(xué)手段，使得理論力學(xué)課程中抽象的教學(xué)內(nèi)容能夠更加具體和直觀地展示在學(xué)生面前，進(jìn)而極大地提高了學(xué)生的理解能力和學(xué)習(xí)效率，獲得了良好的教學(xué)效果。

計(jì)算機(jī)軟件；理論力學(xué)；教學(xué)方法；教學(xué)效果

1　引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的不斷提高，高校課程的教學(xué)方法、教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容也在隨之發(fā)生改變［1］。理論力學(xué)課程是所有工科類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，傳統(tǒng)的教學(xué)方式是通過板書的形式進(jìn)行講授。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，多媒體作為一種新興的教學(xué)方式也悄然興起，并逐漸取代了“板書”，成為理論力學(xué)課程最主要的授課方法。本文著重研究MSC.NASTRAN、PRO/E和ANSYS/LS-DYNA等計(jì)算機(jī)軟件與理論力學(xué)課程中的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，進(jìn)而完成教學(xué)手段改進(jìn)和教學(xué)效果提高的有益探索。

2　靜力學(xué)與MSC.NASTRAN軟件相結(jié)合

2.1MSC.NASTRAN軟件簡(jiǎn)介

MSC.NASTRAN是一個(gè)通用的有限元商業(yè)軟件，它為用戶提供了方便的模塊化功能選項(xiàng)，其主要功能模塊包括：基本分析模塊（含有靜力、模態(tài)、屈曲、熱應(yīng)力、流-固耦合以及數(shù)據(jù)庫管理等）、動(dòng)力學(xué)模塊、熱傳導(dǎo)模塊、非線性分析模塊、設(shè)計(jì)靈敏度分析以及優(yōu)化模塊、超級(jí)單元分析模塊、氣動(dòng)彈性分析模塊、DMAP用戶開發(fā)工具模塊以及高級(jí)對(duì)稱分析模塊。除了模塊化之外，MSC. NASTRAN還可以按照解題規(guī)模，在10 000節(jié)點(diǎn)到無限個(gè)節(jié)點(diǎn)范圍之內(nèi)，根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)，形成解題規(guī)模大小不同的軟件版本。

2.2靜力學(xué)與MSC.NASTRAN軟件的結(jié)合方式

在理論力學(xué)課程的第一部分內(nèi)容——靜力學(xué)中，研究了物體在力系作用下的平衡規(guī)律，主要內(nèi)容包括物體的受力分析、力系的等效替換或簡(jiǎn)化、建立各種力系的平衡條件等［2］。靜力學(xué)涉及到各種類型的力的作用，包括“約束”與構(gòu)件之間，構(gòu)件與構(gòu)件之間，構(gòu)件與載荷之間，其中載荷又有主動(dòng)力和均布載荷之分，在學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)的過程中，往往只能依靠想象來揣測(cè)各種力的作用情況和作用效果，而部分理解能力較差的同學(xué)則難以弄懂靜力學(xué)課程所講授的內(nèi)容。根據(jù)有限元的理論知識(shí)，可以在MSC.Patran軟件中構(gòu)建各種“約束”和構(gòu)件有限元計(jì)算模型，并施加載荷和設(shè)置邊界條件，再將其導(dǎo)入到MSC.NASTRAN軟件中進(jìn)行求解，這樣一來，一方面能夠?qū)⒕唧w的工程問題按照工程分析要求轉(zhuǎn)化為有限元模型，進(jìn)行分析與求解，更為重要的是，能夠使得學(xué)生從理論力學(xué)的角度更加深入地理解研究對(duì)象的工作原理，這對(duì)以后學(xué)生學(xué)習(xí)其他力學(xué)課程，以及未來從事工程設(shè)計(jì)工作都具有重要的指導(dǎo)意義。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)與PRO/E軟件相結(jié)合

3.1PRO/E軟件簡(jiǎn)介

PRO/E是由美國PTC公司研發(fā)的一套三維CAD/CAM參數(shù)化軟件系統(tǒng)，其內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)、三維模型設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬與仿真、工程圖輸出，到生產(chǎn)加工成產(chǎn)品的全過程、其中包含了大量的電纜、管道布線、模具設(shè)計(jì)與分析等實(shí)用模塊，應(yīng)用范圍涉及航空行體、汽車、機(jī)械、數(shù)控（NC）加工、電子等諸多領(lǐng)域。

3.2運(yùn)動(dòng)學(xué)與PRO/E軟件的結(jié)合方式

在理論力學(xué)課程的第二部分內(nèi)容——運(yùn)動(dòng)學(xué)中，其內(nèi)容主要是從幾何的角度研究物體的運(yùn)動(dòng)，包括物體的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)方程、速度、加速度、角速度、角加速度等［3］。物體在力的作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，因此，在運(yùn)動(dòng)學(xué)中不考慮物體運(yùn)動(dòng)的物理因素，這就為理論力學(xué)第三部分——?jiǎng)恿W(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。但是，教材中的例題和習(xí)題都是靜止的，學(xué)生只能憑空想像物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過PRO/E軟件的應(yīng)用，可以構(gòu)建各個(gè)構(gòu)件的物理模型，在各個(gè)模型的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上設(shè)置伺服電動(dòng)機(jī)和邊界條件，從而，能夠讓整個(gè)物體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前，極大地提高了學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)所講授內(nèi)容的理解能力。

4　動(dòng)力學(xué)與ANSYS/LS-DYNA軟件相結(jié)合

4.1ANSYS/LS-DYNA軟件簡(jiǎn)介

ANSYS/LS-DYNA是世界上最著名的通用顯式非線性動(dòng)力分析程序，能夠模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜的非線性（包括大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變）、材料非線性（包括140多種材料的動(dòng)態(tài)模型）和接觸非線性（含50多種）問題，特別適合求解各種二維和三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸后金屬成形等非線性動(dòng)力學(xué)沖擊問題，同時(shí)可以求解傳熱、流體、以及流固耦合問題。

4.2動(dòng)力學(xué)與ANSYS/LS-DYNA軟件結(jié)合方式

在理論力學(xué)課程的第三部分內(nèi)容——?jiǎng)恿W(xué)中，其內(nèi)容主要是物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與作用力之間的關(guān)系。靜力學(xué)研究了作用于物體上的力，運(yùn)動(dòng)學(xué)研究了物體的運(yùn)動(dòng)而忽略了力的作用，然而，動(dòng)力學(xué)卻對(duì)物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了全面的分析，建立了物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律［4］。動(dòng)力學(xué)的形成和發(fā)展是與工程應(yīng)用緊密相連的，尤其是對(duì)于科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，為動(dòng)力學(xué)提出了許多極其復(fù)雜而嚴(yán)峻的課題，例如：高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的動(dòng)力計(jì)算、高層結(jié)構(gòu)建筑受到風(fēng)載荷及地震的影響、宇宙飛船及火箭推進(jìn)技術(shù)、以及機(jī)械人的動(dòng)態(tài)特性等，這些問題都需要應(yīng)用動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)作為支撐，方可進(jìn)行分析與解決。在動(dòng)力學(xué)中，最難以理解和最為常見的內(nèi)容是能量的傳遞和轉(zhuǎn)換過程，如何讓“能量”這一看不見且摸不著的抽象概念具體化，使得學(xué)生能夠更快地理解和掌握能量的轉(zhuǎn)換規(guī)律，就需要借助ANSYS/LS-DYNA軟件的幫助。通過ANSYS/LS-DYNA軟件的應(yīng)用，將質(zhì)點(diǎn)或剛體相互作用過程中的能量轉(zhuǎn)化以應(yīng)力和應(yīng)變的形式表現(xiàn)出來，由應(yīng)力圖和應(yīng)變圖的動(dòng)畫演示，學(xué)生可以清楚地觀察能量傳遞的全過程，從而，實(shí)現(xiàn)了理論力學(xué)內(nèi)容與材料力學(xué)內(nèi)容的有效銜接，為學(xué)生未來學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

［1］李秀芬.“理論力學(xué)”教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法的改革與實(shí)踐［J］.樂山師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（26）：115-117.

［2］楊志安.“理論力學(xué)”教學(xué)中的學(xué)科滲透與融合［J］.唐山學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，26（01）：83-90.

［3］張素穎.MasterCAM軟件在理論力學(xué)中的應(yīng)用［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2008（18）：153-154.

［4］刑利英，王新征.工科理論力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.南陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（9）：107-109.

責(zé)任編輯：吳艷玲

Exploration of Teaching on the Combination of Computer Software and“Theoretical Mechanics”

LV You，MING Zhe，XIN Zhixia，ZHANG Yanmin，LANG Fengrao
（Jilin Agriculture Science and Technology University School of Mechanical Engineering，Jilin 132101）

With the rapid development of science and technology level，the theoretical mechanics as a classical mechanics course，whether it is writing on the blackboard style for teaching method，or multimedia type for teaching method，it can not fully show the ideal effect of theoretical mechanics course teaching content. So，the theoretical mechanics needs more advanced teaching method.This thesis focuses on the study of the combination of MSC.NASTRAN，PRO/E and ANSYS/LS-DYNA computer software and theory courses of theoretical mechanics，including statics，kinematics and dynamics.By adopting this teaching means，it makes the teaching content of theoretical mechanics course more concrete and intuitive in front of the students，which greatly improves the students understanding ability and learning efficiency，finally it obtains excellent teaching effect.

computer software；theoretical mechanics；teaching method；teaching effect

O31-4；TP319

A

2015-06-03

呂 尤（1983-），男，吉林省吉林市人，講師，從事仿生科學(xué)與工程研究。