基于C#、Python語(yǔ)言和MSC.Marc在直梁純彎曲教學(xué)中的應(yīng)用

【摘要】針對(duì)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)直梁彎曲過(guò)程中遇到的理解難點(diǎn)問(wèn)題，基于Python語(yǔ)言和MSC.Marc軟件編制了直梁尺寸、單元?jiǎng)澐趾洼d荷施加的參數(shù)化程序，再借助C#強(qiáng)大的編程和調(diào)用能力啟動(dòng)Marc及該程序，自動(dòng)提交和運(yùn)算完成后，學(xué)生可以提取多種直觀計(jì)算結(jié)果，為學(xué)生加深理解直梁彎曲變形理論提供了參數(shù)化和可視化計(jì)算工具。

【關(guān)鍵詞】Python Marc 材料力學(xué) 教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）12-0016-01

前言

直梁類零部件受載荷而發(fā)生變形的情況在實(shí)際工程中很常見(jiàn)，例如，橋梁在自重和車輛作用下會(huì)發(fā)生變形、鋼架結(jié)構(gòu)房屋的型材骨架在屋頂重力和自然風(fēng)載等條件下也會(huì)發(fā)生變形。作為一名本科生，應(yīng)當(dāng)首先熟練掌握直梁彎曲變形的規(guī)律，以便今后在工程實(shí)踐中能安全設(shè)計(jì)滿足條件的梁的結(jié)構(gòu)[1]？鄄[2]。梁的彎曲變形章節(jié)內(nèi)容較多，如何在推導(dǎo)理論模型前就建立對(duì)梁的彎曲變形的建立直觀和感性的認(rèn)識(shí)是學(xué)好本章的基礎(chǔ)。隨著商業(yè)有限元的日益成熟和計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的研究借助它進(jìn)行靈活的前處理，使模擬過(guò)程更接近實(shí)際工況，得到了內(nèi)容豐富和可視化程度高的結(jié)果[3]？鄄[6]。本文借助Python與MSC.Marc有限元軟件良好的交互性編制直梁參數(shù)化建模、劃分網(wǎng)格、加載和提交運(yùn)算的程序，然后基于C#編制操作界面，計(jì)算完成之后自動(dòng)讀取結(jié)果以便學(xué)生觀察直梁的變形過(guò)程，從而達(dá)到加深理解的目的。

1.Python語(yǔ)言和Marc交互參數(shù)化建模

Python編程語(yǔ)言是一種解釋性、交互式和面向?qū)ο蟮墓δ軓?qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端腳本語(yǔ)言，與其它腳本語(yǔ)言一樣，Python代碼類似于偽代碼，同時(shí)還是一種交互式、可移植、易于學(xué)習(xí)、方便使用的嚴(yán)謹(jǐn)語(yǔ)言，它提供動(dòng)態(tài)語(yǔ)義和快速的原型開(kāi)發(fā)能力，適合用作連接已有組件的粘合語(yǔ)言。同時(shí)它可用于獨(dú)立的程序，也可用于腳本程序。

為了讓學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)大跨度梁和小跨度梁的彎曲形態(tài)，需要將梁的長(zhǎng)度和寬度設(shè)為參數(shù)化變量，此外，彎矩的大小及梁被劃分的網(wǎng)格大小均由用戶自己輸入。面對(duì)這幾個(gè)參數(shù)的多樣性，利用Python和Marc的良好交互性特點(diǎn)編寫(xiě)直梁建模和網(wǎng)格劃分的參數(shù)化程序。Python程序以from py_mentat import *打頭，調(diào)用MSC.Marc的py_mentat模塊，主程序以def main（ ）：開(kāi)頭，主程序下面是原始參數(shù)輸入，例如彎矩大小M，跨度L，梁高H、單元寬s1和單元長(zhǎng)s2，子程序名稱依次列出，且子程序按照順序?qū)懺谥鞒绦虻纳戏?。整個(gè)程序需要用pysend將命令送到MSC.Mentat執(zhí)行。

利用C#語(yǔ)言編制如圖1所示交互式界面，學(xué)生可以通過(guò)輸入彎矩的大小、梁的尺寸及網(wǎng)格劃分的大小就可點(diǎn)擊提交運(yùn)算，后臺(tái)程序?qū)⒔缑嫔系膮?shù)傳給上述程序，然后調(diào)用MSC.Marc進(jìn)行參數(shù)化建模與仿真，計(jì)算完成后，點(diǎn)擊查看結(jié)果可以直觀查看仿真結(jié)果。

2.可視化結(jié)果顯示與分析

當(dāng)梁的輸入?yún)?shù)的長(zhǎng)度與高度的比值比較小，則直梁的外形如圖2（a）所示，劃分出來(lái)的網(wǎng)格大小由學(xué)生自由控制，如果加的彎矩為M，則計(jì)算完成后的彎曲形態(tài)如圖2（b）所示，如果增加一倍彎矩，則彎曲形態(tài)繼續(xù)加大，如圖2（c）所示；同時(shí)，學(xué)生還可以通過(guò)查看最終的直梁彎曲變形曲線，并將其與材料力學(xué)中的經(jīng)典公式進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

結(jié)論

基于Python語(yǔ)言和MSC.Marc軟件良好的交互性編制的參數(shù)化程序可以靈活處理直梁的尺寸、單元大小和載荷施加方式，同時(shí)利用C#強(qiáng)大的編程和調(diào)用能力啟動(dòng)Marc及其參數(shù)化程序，方便學(xué)生在學(xué)習(xí)材料力學(xué)直梁彎曲理論中加深對(duì)梁的彎曲變形規(guī)律的理解和認(rèn)識(shí)。

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作者簡(jiǎn)介：

劉志芳（1984.6-），男，漢族，湖北黃岡人，博士，重慶理工大學(xué)，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。