基于數(shù)值模擬的材料力學教學改革探索

廖丹 袁嚴輝 鄭茂溪

【摘要】本文基于材料力學課程的學習難點的基礎上，借助solidworks軟件中simulation插件將數(shù)值模擬引入教學中。利用數(shù)值模擬的直觀性幫助學生學習并掌握材料力學的理論知識，同時提高學生進行力學分析的技能，為以后工作奠定基礎。

【關鍵詞】材料力學 solidworks 教學方法

【基金項目】校內(nèi)教研教改項目（項目編號：JY201707）。

【中圖分類號】G42 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）32-0236-02

材料力學對于機械專業(yè)的學生來說，是一門非常重要的專業(yè)基礎課程，涵蓋了幾種基本變形的強度剛度及穩(wěn)定性問題，為后續(xù)機械設計等專業(yè)課程奠定了基礎。材料力學知識相比其他課程而言，需要一定的想象能力及與實際工程相結(jié)合的能力。這要求學生能充分地理解變形、應力、應變的概念。

目前，學生在材料力學學習的過程中，對三維強度分析及復雜應力狀態(tài)部分的理解存在很大的問題。導致學生在這部分課程的學習中，聽不懂，學不會，繼而失去興趣。為了幫助學生更好更主動地去學習，將數(shù)值模擬方法引入材料力學課堂。數(shù)值模擬的引入，能夠增加學生學習的興趣，幫助學生直觀地掌握和理解材料力學中的基本知識。

一、數(shù)值模擬簡介

目前，“中國制造2025”的提出就要求研發(fā)型的制造企業(yè)將系統(tǒng)仿真數(shù)值模擬提高到戰(zhàn)略目標的高度，并結(jié)合系統(tǒng)工程和企業(yè)運營要求，形成規(guī)范的產(chǎn)品研發(fā)體系。為了對仿真技術有一定的規(guī)范和要求，國家已經(jīng)出版國標GB/T33582-2017《機械產(chǎn)品結(jié)構有限元力學分析通用規(guī)則》，這一標準適用于機械產(chǎn)品結(jié)構的有限元力學分析[1]。因此，數(shù)值模擬對于高校學生來說非常重要，不僅能夠從本質(zhì)上熟悉設計過程、直觀地理解基本原理，還可以為以后進行設計研發(fā)工作做好鋪墊[2]。

市面上，數(shù)值模擬軟件很多，包括ansys， abaqus， soildworks， proe等。其中ansys，abaqus等專業(yè)仿真軟件雖然功能更強大但不易上手，solidworks simulation是solidworks軟件的一個插件，操作簡單易于上手。而且該插件是基于：（1）材料是線性，（2）小變形，（3）靜態(tài)載荷三種假設，滿足材料力學的要求。因此選擇solidworks simulation進行課堂演示和實驗練習。

二、數(shù)值模擬在理論課中的應用

在材料力學理論課上，主要采用PPT講授一些基本概念和例題。學生在學習的過程中覺得非?？菰铮译y以理解。引入數(shù)值模擬部分，會更加直觀地展示給學生各種現(xiàn)象及應力應變的分布，幫助學生理解。

1.解釋基本變形

材料力學主要介紹拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲四種基本變形的強度剛度及細長壓桿的穩(wěn)定性問題。特別細長壓桿穩(wěn)定性問題，學生一直難以真正掌握，很容易與壓縮強度問題混淆。圖分別用細長桿和短粗桿做屈曲分析。從圖1中可看出，在同樣的橫截面情況下，桿長為400mm的細長桿的臨界載荷為25.4kN，而桿長為40mm的短粗桿臨界載荷為2250kN，相差近100倍。

2.再現(xiàn)物理實驗

由于課時有限，材料扭轉(zhuǎn)實驗等基本實驗無法開展。學生僅靠自己的想象能力無法充分地理解整個過程。數(shù)值模擬可以幫助學生充分理解掌握這些實驗現(xiàn)象。從圖2可以看出，在扭轉(zhuǎn)變形時，軸的邊緣應力大，而在軸線附近應力很小趨近于0。

3.解釋現(xiàn)象

圣維南定理是彈性力學的基礎，它指出了力作用于桿端的分布方式，只影響桿端局部范圍內(nèi)的應力分布，影響區(qū)域的軸向范圍為1～2個桿端的橫向尺寸，其他區(qū)域僅可視為均勻的[3]。在課程講解中，只能說影響區(qū)域范圍內(nèi)的應力分布非常復雜，復雜的程度卻難以說清。利用soildworks軟件進行數(shù)值模擬分析能直觀形象地以圖形的形式展示給同學，便于理解。

三、總結(jié)

將數(shù)值模擬引入材料力學教學中，可以利用數(shù)值模擬軟件的圖形顯示的直觀性，提高學生學習的興趣、讓學生更加深入地理解和掌握材料力學的基本知識。并且讓學生開闊了眼界，了解了解決力學問題的一種新方法，為學生以后的工作就業(yè)奠定了基礎。

參考文獻：

[1]GB/T 33582-2017，機械產(chǎn)品結(jié)構有限元力學分析通用規(guī)則[S].

[2]傅永華.有限元分析基礎[M].武漢：武漢大學出版社、全國優(yōu)秀出版社，2003.

[3]顧曉勤，譚朝陽.材料力學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.