基于工程分析軟件的高校力學教學改革研究

鄭訓臻

(長春建筑學院，吉林長春　130607)

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基于工程分析軟件的高校力學教學改革研究

鄭訓臻

(長春建筑學院，吉林長春130607)

摘要:根據(jù)高校力學課程的特點和教學中存在的問題，結合多種可靠性較高的工程分析軟件在力學教學中的實例，從教學改革方面、提升教師自身專業(yè)素養(yǎng)、培養(yǎng)學生分析能力三方面，總結了工程分析軟件對高校力學教學的益處。

關鍵詞:有限元軟件，力學課程，教學改革

1　高校力學課程的特點及教學中存在的問題

1．1高校力學課程的特點

力學課程核心是“三大力學”，包括理論力學、材料力學、結構力學，一般工程力學、土木工程、交通工程、橋梁工程等專業(yè)都會在培養(yǎng)計劃中安排這三門課程，而對于由這三大力學衍生出來的建筑力學、工程力學等一般安排在機械、工程管理、材料、建筑學等專業(yè)的培養(yǎng)計劃中，而對于水利、環(huán)境、暖通、給排水等專業(yè)還會安排流體力學課程。力學課程是大多數(shù)理工類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎課。學習力學課程的過程中，學生的分析能力、計算能力、想象能力都可以得到提升，而且有助于培養(yǎng)學生的邏輯思維和空間感，上述這些能力的培養(yǎng)和提升對于學生自身專業(yè)課的學習有推動和鋪墊作用。

1．2力學教學中存在的問題

正是由于力學課程可以培養(yǎng)學生縝密的邏輯思維，使得力學課程對比其他的專業(yè)課體現(xiàn)出較高的難度。而且力學課程一般不小于60學時，持續(xù)時間較長，教師教授的內容也較多，有些知識也比較抽象。比如，在理論力學中涉及的運動學和動力學這兩部分就要求學生要有把靜止的圖示裝置想象出它們是如何運動的，動起來以后又是什么樣子的能力;在材料力學的組合變形部分，學生要根據(jù)構件的受力情況，想象出構件發(fā)生兩種或兩種以上的變形后的大致情況，并分析出危險截面和危險點;在結構力學的位移法這一部分，學生要能分析出所研究的桿系結構大致的變形，以判斷桿段上是否有彎矩的存在。在教材上和大部分教師的課件中，學生看到的往往是工程問題的計算簡圖較多，而工程實例較少，靜止的圖示較多，動態(tài)的素材較少，造成學生對力學課程的學習感到無趣，不清楚學習力學的目的，不了解自己所學的力學知識能夠解決怎樣的工程實際問題，力學的相關課程無論是對于教授的教師還是接受知識的學生來說都充滿挑戰(zhàn)和探索。

2　常見有限元軟件運用在力學教學中的實例

隨著多媒體技術已經廣泛走進高校課堂，同時很多可靠性較高的工程分析軟件不斷涌出，教師可以結合自己所擅長的研究領域和所要教授的力學知識對應地將部分力學模型引入課堂，這不僅可以使學生真真正正地接觸到工程的實例，而且可以開闊學生的眼界，使學生認識到教材和教師描繪的抽象的概念和定理在實際工程中可以發(fā)揮如此大的作用。下面結合不同應用軟件模擬的實例，說明在力學教學中引入工程分析軟件的必要性和實用性。

2．1ANSYS有限元軟件運用在桁架橋部分的實例

下承式簡支鋼桁架橋長72 m，每個節(jié)段為12 m，橋寬10 m，高16 m。設橋面板為0．3 m厚的混凝土板。桁架桿件規(guī)格有三種，結構為簡支桁架，跨中受一對集中載荷作用，各力大小為100 kN。通過ANSYS軟件可以很直觀、很方便的求出各個桿件的軸力(如圖1所示)、結構的變形和位移以及結構的模態(tài)分析等相關的計算。桁架橋這部分的計算在理論力學、結構力學、建筑力學、振動力學的課程中都有涉及。

圖1　各桿件的軸力云圖

2．2ABAQUS有限元軟件運用在梁的彎曲部分的實例

混凝土材質的簡支梁全長2．5 m，梁橫截面為矩形，高0．3 m，寬0．15 m，下部兩端有墊塊，上部距離梁兩端0．85處也有兩個小墊塊，小墊塊上有集中力的作用，集中力的大小為10 kN。運用ABAQUS軟件可以在5 s的時間內計算出此梁發(fā)生彎曲時的彎矩、變形(如圖2所示)、第一主應力、第三主應力、Mises應力(如圖3所示)等云圖，直觀、快捷的找到危險截面和危險點，根據(jù)計算時間設置的不同，可以通過動畫的形式反映變形的過程，還可改變鋼筋骨架的形式，計算超筋梁和少筋梁的相關力學數(shù)據(jù)，三種情況進行對比教學。關于梁的彎曲這部分是材料力學和工程力學課程的重點和難點。

圖2　梁的變形圖

2．3其他工程分析(計算)軟件在力學教學中的應用

FLUENT軟件是計算流體力學中應用最為廣泛、最為可靠的商用軟件，它可以應用于流體力學的教學中，比如滲流問題，流體空間流線和跡線的繪制等。Matlab軟件是比較成熟的數(shù)值分析軟件，它可以求解復雜的力學方程，形成二維或三維的曲線、圖像處理等，在理論力學教學中，運動學和動力學部分中有些力學方程求解比較復雜，但是Matlab通過可視化的交互界面為求解方程

圖3　梁的Mises應力云圖

Flac3D軟件的應用可以嵌入土力學中對于邊坡穩(wěn)定性這部分的講授中，土力學的課程計算一般以迭代為主，計算量較大，占用課堂時間較長，引入軟件來講解工程實例，有助于提高教學效果和效率［3］。此外，“BIM建筑信息模型”在最近幾年迅速發(fā)展，在此模型中可以反映建筑全壽命周期中的所有信息，突破傳統(tǒng)圖紙的二維設計和不同階段數(shù)據(jù)流通和修改的障礙，協(xié)調性好，模擬性高，隨著BIM的不斷擴充和完善，引入力學課堂的日子指日可待。

將工程分析軟件應用到高校力學教學中的優(yōu)勢是顯而易見的，一方面，這種教學方式可以將比較抽象的力學概念直接地展示給學生，如內力、應力、變形情況等，而且大部分軟件都可以形成動畫，使原本枯燥的力學問題變得“有聲有色”;另一方面，軟件的運用在提高教學效果、活躍課堂氣氛的同時，還可以提高課堂上的時間利用率，豐富教學內容;最后，工程分析軟件的引入讓學生初步接觸了相對較陌生的領域，使學生看到自身專業(yè)未來會接觸的更廣闊的天地，增強學生對日后專業(yè)課的好奇心。

3　工程分析軟件在力學教學中的作用

3．1對于教學改革方面的作用

力學教學的難點在于課程內容的抽象性，邏輯性強，理論知識較為復雜，學生理解起來比較困難，學習力學目的較為模糊等。而在力學教學中若能引入工程實際問題或利用工程分析軟件演示較為簡單的力學模型，不僅使這門專業(yè)基礎課更加貼近工程實際，展示力學用于研究中發(fā)揮的實際作用，而且豐富教學內容，比如構件(結構)變形的過程可以用動畫展示，使學生更加體會到學習的目的不是應付考試，而是可以實實在在的解決工程實際問題。但是應該注意引入課堂的教學案例的選取不宜過難，計算時間不宜過長。還可以將工程計算軟件的分析引入到力學第二課堂，比如我校每年開展的“雞蛋的完美下落”力學趣味競賽和“紙橋結構設計大賽”，在用實物制作之前，學生可以根據(jù)軟件里模型便于修改、省時、省力、省財?shù)奶匦?，用掌握的分析軟件和力學知識對預制作的結構進行分析計算，找到最適合的包裝方法或結構形式，找到將力學理論的知識和軟件操作能力轉化為解決實際問題的途徑。

3．2對于培養(yǎng)學生能力方面的作用

將工程分析軟件引入力學課堂，首先，可以增長學生的見識、開闊眼界，培養(yǎng)學生學習力學的好奇心和邏輯分析能力，使學生了解自己學到的力學知識是如何運用到實際工程中的，如何解決工程中遇到的問題的;其次，可以在力學理論課程之外增設相關課程的設計課程，由教師設計出簡單的題目，由學生自愿組成課題小組，使用教師給出的參考軟件自學完成題目，力學教師可以給予適度的指導來幫助學生，在學生完成題目的過程中提高學生自學的能力、研究問題的能力、遇到困難獨自解決的能力，為研究生階段學習做鋪墊;最后，上述過程有效地提高了學生工程分析軟件的操作能力，大部分工程分析軟件基于有限元的理論，大體的建模思路相同，通過掌握一個軟件的建模過程，學生可以觸類旁通地學習其他分析軟件。

3．3對于教師自身專業(yè)素養(yǎng)方面的作用

將工程分析軟件引入到力學教學中這一措施，可以督促教師站在自身所學專業(yè)的角度學習較新的軟件知識、更新專業(yè)知識，可以倒逼教師不斷進行學習，在提倡培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識的背景下，跟上時代的發(fā)展，做到與時俱進，只有教師能夠把學科最前沿的知識融入課堂、傳授給學生，才能有助于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，有助于學生打開學習力學的思路，明確學習力學的目的，一改以往學生對力學學習的抵觸心理，對于教師自身來說，不僅豐富了教學方法，而且有助于提升科研能力，一舉兩得。

4　結語

隨著科技時代的迅猛發(fā)展，工程分析軟件融入力學教學是必然趨勢。高校力學教師承擔著力學教學改革的重大課題，并且有責任讓學生在力學課堂上接觸到前沿的工程問題和解決問題的方法，這不僅可以使學生明白掌握力學知識的目的，增強學生學習力學的興趣，使枯燥的力學課堂變得生動，為后續(xù)專業(yè)課學習打下良好的基礎，同時可以鍛煉學生自學工程分析軟件，培養(yǎng)學生遇到實際問題如何進行力學分析和應用軟件解決的能力。將工程分析軟件引入力學教學這一舉措，無論在課堂教學上還是在第二課堂的應用中都取得了不錯的反響。

參考文獻:

［1］張麗，白晶，王相和．Matlab軟件在力學教學中的應用［J］．產業(yè)與科技論壇，2011，10(9):148-150．

［2］邵小軍，劉永壽，岳珠峰．談工科理論力學教學中數(shù)學工具的應用［J］．力學與實踐，2007，5(29):68-69．

［3］王宇輝．巖土工程分析軟件在本科土力學教學中的應用［J］．山西建筑，2015，34(41):236-238．

［4］鄭捷慶，鄒鋒，張軍．CFD軟件在工程流體力學教學中的應用［J］．中國現(xiàn)代教育裝備，2007(10):119-121．

中圖分類號:G642．0

文獻標識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0252-02

收稿日期:2016-04-09

作者簡介:鄭訓臻(1987-)，女，助教帶來方便，此軟件可以用于求解勢能曲線問題、碰撞問題等，尤其是非線性的問題［1，2］。

Reform research of mechanical teaching based on the software of engineering analysis in colleges

Zheng Xunzhen
(Architectural Institute of Changchun，Changchun 130607，China)

Abstract:In this paper，according to the characteristics of the mechanics course in colleges and the problems of the existing in teaching，combined with mechanics teaching examples of a variety of high reliability engineering analysis software，from the aspects of reform of teaching，improve teachers’professional accomplishment，the analysis ability to the student，sum up which is the benefit of mechanics teaching．

Key words:finite element software，mechanics course，teaching reform