基于ANSYS的工程力學(xué)在機(jī)械工程教學(xué)中的探索

摘 要：合理的課程設(shè)置是培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用型人才的重要前提。本文通過(guò)分析機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)普遍的教學(xué)體系，結(jié)合工程力學(xué)知識(shí)在實(shí)際工程中的重要應(yīng)用，探討了在各個(gè)領(lǐng)域都有著很強(qiáng)的適用性的大型有限元分析軟件ANSYS在本科生工程力學(xué)教學(xué)中的改革途徑和方法。這對(duì)提高學(xué)生工程實(shí)踐能力，更好地培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用型人才奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：ANSYS；工程力學(xué)；工程實(shí)踐

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.204

機(jī)械工程是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)學(xué)科之一。而工程力學(xué)是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科階段普遍開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，為其它專(zhuān)業(yè)課程有力的理論支撐，工程力學(xué)的力學(xué)計(jì)算分析貫穿在這些課程的方方面面。隨著各行業(yè)對(duì)具有扎實(shí)理論知識(shí)和突出實(shí)踐能力的人才的大量需求，以技術(shù)應(yīng)用型人才為培養(yǎng)目標(biāo)的應(yīng)用型本科院校迅速發(fā)展。為了適應(yīng)機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科實(shí)踐教學(xué)的要求，將工程應(yīng)用型有限元分析軟件ANSYS運(yùn)用到該學(xué)科的教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)教學(xué)改革對(duì)傳統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，對(duì)于提高機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)大學(xué)生工程素質(zhì)和培養(yǎng)創(chuàng)新能力方面都具有重要的意義。

1 傳統(tǒng)工程力學(xué)教學(xué)體系中存在的問(wèn)題

工程力學(xué)主要分為理論力學(xué)部分和材料力學(xué)部分。該課程具有理論性強(qiáng)、課程艱深、課時(shí)相對(duì)較少的特點(diǎn)， 同時(shí)又是與實(shí)踐結(jié)合非常密切的一門(mén)課程[1]。傳統(tǒng)的機(jī)械工程教學(xué)體系中工程力學(xué)的教學(xué)完全采用按照教材進(jìn)行純理論教學(xué)，存在著以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

1.1 教學(xué)方法過(guò)于單一

工程力學(xué)因其自身的嚴(yán)密體系決定了是偏重理論推導(dǎo)的。傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中均采用板書(shū)或PPT展示公式的推導(dǎo)和計(jì)算過(guò)程，這種傳統(tǒng)的純理論授課方式，導(dǎo)致大量公式的羅列、課程枯燥乏味、學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)印象不深以及無(wú)法靈活解決機(jī)械類(lèi)課程中的相關(guān)問(wèn)題等弊端，從而造成學(xué)生在今后的工作當(dāng)中與知識(shí)脫節(jié)。

1.2 教學(xué)內(nèi)容缺乏工程實(shí)踐性

公式的熟練運(yùn)用在工程計(jì)算中是必備的基本能力 ，這要求我們不僅要熟練記憶這些知識(shí)點(diǎn)，更要深入理解其在實(shí)際中的應(yīng)用，即要學(xué)以致用。在學(xué)校里很難有機(jī)會(huì)讓所有學(xué)生都能在實(shí)踐過(guò)程中得到針對(duì)性訓(xùn)練，因此需要更為適合學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的探索與補(bǔ)充。

2 有限元分析軟件ANSYS平臺(tái)特點(diǎn)及應(yīng)用

2.1 ANSYS軟件平臺(tái)特點(diǎn)

ANSYS是集結(jié)構(gòu) 、流體 、電場(chǎng) 、磁場(chǎng) 、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件[2]，在機(jī)械制造、汽車(chē)交通、航空航天及土木工程等行業(yè)，廣泛應(yīng)用于軍用和民用的各種企業(yè)及研究院的設(shè)計(jì)和研究 。具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：

（1）ANSYS 主要功能為對(duì)模型進(jìn)行有限元分析，同時(shí)它也可以進(jìn)行復(fù)雜的三維建模。除此之外ANSYS可與多數(shù)CAD軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer ，UG，CATIA， AutoCAD 等 [2]。（2）ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)用戶(hù)的操作過(guò)程--命令流，命令流能清晰地顯示出所有設(shè)置的參數(shù)及計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了前后處理、 分析求解及多場(chǎng)分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。同時(shí)能夠通過(guò)修改所存儲(chǔ)命令流中的數(shù)據(jù)的形式來(lái)進(jìn)行修改模型各參數(shù)并進(jìn)行重新計(jì)算。（3）ANSYS擁有多個(gè)求解器，用戶(hù)可以根據(jù)需要選擇合適的求解器進(jìn)行分析計(jì)算。（4）ANSYS包括LS-DYNA、Workbench這些非線性分析模塊，具有非常強(qiáng)大的非線性分析功能。（5）ANSYS具有非常友好的界面，初學(xué)者在一個(gè)月左右都可以掌握其功能并進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2 ANSYS軟件在工程中的應(yīng)用

ANSYS廣泛應(yīng)用于軍用和民用，主要有：大型設(shè)備汽車(chē)、飛機(jī)等運(yùn)輸工具的高速碰撞模擬分析；結(jié)構(gòu)安全分析；機(jī)械制造；生物力學(xué)；地震工程；液體-結(jié)構(gòu)相互作用；軍用新材料（包括炸藥、復(fù)合材料、特種金屬等）的研制和動(dòng)力特性分析等等。如圖1為對(duì)空心顆粒復(fù)合材料力學(xué)性能做數(shù)值仿真的晶胞建模圖[3]。

ANSYS的計(jì)算分析包括對(duì)模型進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析，二者都可以考慮其線性及非線性特性。其中靜力分析為求解外部載荷引起的位移、 應(yīng)力和力。動(dòng)力分析求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。

3 教學(xué)改革的途徑和方法

3.1 工程力學(xué)課程改革

對(duì)傳統(tǒng)的工程力學(xué)課程可以進(jìn)行兩方面改革：（1）在課堂的授課中，任課教師在制作課件時(shí)針對(duì)知識(shí)點(diǎn)引入由ANSYS軟件仿真的工程實(shí)例。結(jié)合工程實(shí)例的教學(xué)方法不僅可以增強(qiáng)課堂趣味性提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)也使學(xué)生理解了工程力學(xué)這門(mén)課的實(shí)際應(yīng)用，并且通過(guò)軟件仿真的方法進(jìn)一步解決了教師無(wú)充足的適合教學(xué)的工程實(shí)踐實(shí)例的問(wèn)題；（2）工程力學(xué)課程中增設(shè)軟件學(xué)習(xí)上機(jī)課。學(xué)生在本科期間由教師帶領(lǐng)對(duì)ANSYS進(jìn)行初步學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生對(duì)該軟件復(fù)雜功能的進(jìn)一步拓展學(xué)習(xí)和應(yīng)用。無(wú)論是對(duì)今后工作增加就業(yè)機(jī)會(huì)，還是繼續(xù)深造都有實(shí)際的幫助。

3.2 與機(jī)械專(zhuān)業(yè)課程相結(jié)合

在機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程中，處處都有與工程力學(xué)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，可見(jiàn)其重要性。如何進(jìn)一步做到二者的緊密結(jié)合，可通過(guò)以下幾個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革：

（1）生產(chǎn)實(shí)習(xí)的教學(xué)改革。生產(chǎn)實(shí)習(xí)是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生們需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成制作成品。通過(guò)ANSYS軟件可以提前對(duì)擬完成的零件進(jìn)行三維建模，不僅可以減免材料的浪費(fèi)節(jié)約成本，而且在建模過(guò)程中學(xué)生對(duì)成品的細(xì)節(jié)都會(huì)有更詳細(xì)的了解。同時(shí)利用該軟件可以進(jìn)行從毛坯到成品的加工模擬，幫助學(xué)生深入理解加工原理，有助于實(shí)習(xí)目標(biāo)更好地完成。對(duì)成品進(jìn)行力學(xué)分析，如易斷裂部位、承載能力及制造失誤的原因等等，從而進(jìn)一步對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。（2）課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革。機(jī)械類(lèi)多門(mén)課程都設(shè)有課程設(shè)計(jì)，這是對(duì)學(xué)生知識(shí)綜合運(yùn)用能力的系統(tǒng)鍛煉和提高。課程設(shè)計(jì)是從零件的類(lèi)型、尺寸選擇到裝配完成的綜合實(shí)踐課程環(huán)節(jié)。而設(shè)計(jì)過(guò)程中零件尺寸的確定、安裝位置的選擇以及設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品能否滿足要求、有哪些易損壞部位、有哪些因素會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品壽命縮短，都可以用ANSYS軟件進(jìn)行分析計(jì)算并進(jìn)一步判斷。因此將ANSYS分析計(jì)算納入課程設(shè)計(jì)對(duì)提高學(xué)生工程實(shí)踐能力具有重要作用。（3）畢業(yè)設(shè)計(jì)的教學(xué)改革。機(jī)械專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)大多數(shù)都要求對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行三維繪圖。ANSYS軟件可以模擬機(jī)器進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程，這樣使設(shè)計(jì)更加直觀和立體，且充分體現(xiàn)該設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用。如圖2為首鋼1580熱軋板帶軋機(jī)軋制鋼板過(guò)程仿真圖 。通過(guò)ANSYS軟件還可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證性分析計(jì)算，為畢業(yè)生的理論設(shè)計(jì)提供支撐。

3.3 科研建設(shè)的教學(xué)改革

科研基于各門(mén)知識(shí)的基礎(chǔ)理論，只有使用相應(yīng)的手段對(duì)對(duì)象進(jìn)行研究，才能得到更準(zhǔn)確的成果。ANSYS的強(qiáng)大功能使其在各領(lǐng)域的科研項(xiàng)目中被廣泛應(yīng)用。

（1）教學(xué)團(tuán)隊(duì)科研建設(shè)。當(dāng)今在應(yīng)用型本科院校教育中，以科研促教學(xué)是非常有效的教學(xué)手段。教學(xué)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)盡快提高自己的科研能力，并將其運(yùn)用到專(zhuān)業(yè)教學(xué)中去。目前ANSYS軟件廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各大高校的科研人員的成果研究，ANSYS仿真最重要的是通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析能得到仿真對(duì)象的眾多特性，進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析并聯(lián)系到實(shí)際可與工程研究掛鉤，來(lái)解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題。因此機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教師們也應(yīng)對(duì)該軟件進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，這將對(duì)在研課題提供新思路、拓展科研方向、提高教學(xué)能力等方面都有一定的幫助。（2）學(xué)生參與科研。大學(xué)四年學(xué)生可以學(xué)到大量的基礎(chǔ)理論知識(shí)及一定的實(shí)地操作經(jīng)驗(yàn)，但是實(shí)踐能力相較于社會(huì)工作所需還是有很大差距，讓學(xué)生參與到教師科研中去是對(duì)學(xué)生學(xué)以致用能力十分有效的鍛煉。學(xué)生利用ANSYS軟件進(jìn)行問(wèn)題研究時(shí)，需要前期分析、建模、加載及對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，過(guò)程中會(huì)用到多門(mén)課程的知識(shí)。這會(huì)促使學(xué)生通過(guò)翻課本、查文獻(xiàn)、讀期刊等方法尋找解決方案，逐漸建立知識(shí)系統(tǒng)，進(jìn)一步加深對(duì)理論知識(shí)的理解；為今后工作解決實(shí)際問(wèn)題提供經(jīng)驗(yàn)、找到突破口；學(xué)生參與科研可以分擔(dān)教師的部分科研工作量，為其減輕科研負(fù)擔(dān)，縮短科研周期。

3.4 綜合創(chuàng)新能力的提高

在科技日新月異地發(fā)展的新時(shí)期，機(jī)械行業(yè)也由原始的機(jī)械加工向高精制造轉(zhuǎn)變。ANSYS軟件是一個(gè)可以包容多種操作的平臺(tái)，利用其可以進(jìn)行多種新產(chǎn)品的制造、裝配及維護(hù)等多方面的分析。同時(shí)ANSYS分析對(duì)象的多樣性為學(xué)科的互相交融提供了平臺(tái)，這對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維和新成果的研究發(fā)現(xiàn)都有著重要的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用型本科院校在應(yīng)用型人才培養(yǎng)過(guò)程中，通過(guò)以先進(jìn)的教學(xué)軟件為載體的方法，將多門(mén)課程融入到實(shí)踐教學(xué)中去，進(jìn)行課程教學(xué)改革，有助于提高大學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與創(chuàng)新能力、培養(yǎng)優(yōu)秀的技術(shù)型人才。同時(shí)增強(qiáng)了教師的科研能力和水平，提高了辦學(xué)層次。這對(duì)培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和學(xué)校的發(fā)展都將發(fā)揮著重要而長(zhǎng)遠(yuǎn)的作用。

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作者簡(jiǎn)介：吳正平（1988-），女，河北滄州人，研究生，講師，研究方向：機(jī)械振動(dòng)。