安全工程專業(yè)數(shù)值模擬課程教學(xué)內(nèi)容探討

蔡守宇

摘 要：安全工程專業(yè)學(xué)生能從宏觀方面對作業(yè)環(huán)境、設(shè)備設(shè)施等作出定性的分析和評價，但缺少對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和重要環(huán)節(jié)進(jìn)行定量的準(zhǔn)確分析能力。而數(shù)值模擬課程正為此而開設(shè)，并有助于結(jié)合多門課程知識以解決具體工程問題。本文對數(shù)值模擬課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了有益的探討，望更好地促進(jìn)該專業(yè)學(xué)生能力的提升。

關(guān)鍵詞：安全工程;數(shù)值模擬;課程改革

科學(xué)技術(shù)是一把雙刃劍，人類在享受高度機(jī)械化、自動化、智能化等帶來的便利的同時，又不可避免地承受著潛在的風(fēng)險甚至生命危險，一個小小的安全事故極易造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和無法挽回的人員傷亡。近年來，政府、企業(yè)直到個人對安全越來越重視，用于事故預(yù)防的投入也日益增多。在這種形式下，安全工程專業(yè)正是為培養(yǎng)具備如下素質(zhì)的復(fù)合型人才而開設(shè)的：能從事生產(chǎn)安全管理、安全防護(hù)工程、安全產(chǎn)品設(shè)計、事故防控規(guī)律研究、危險有害因素檢測、工程風(fēng)險評價、生產(chǎn)經(jīng)營單位安全監(jiān)察與管理、應(yīng)急等，多渠道保障生產(chǎn)安全、社會和諧、家庭幸福、個人健康。

安全工程專業(yè)的課程覆蓋面大，其作為一門工科專業(yè)還開設(shè)有安全管理學(xué)、安全生產(chǎn)法律法規(guī)、安全評價、安全心理學(xué)、安全經(jīng)濟(jì)學(xué)等偏管理的文科類課程。此外，安全工程專業(yè)學(xué)生還需要學(xué)習(xí)或選修力學(xué)、機(jī)械、土木、材料、電氣等專業(yè)的基礎(chǔ)課程。專業(yè)課程覆蓋面廣雖然有助于擴(kuò)大學(xué)生就業(yè)領(lǐng)域，但容易造成學(xué)而不精、對各個知識點(diǎn)不能融會貫通的培養(yǎng)結(jié)果。因此，該專業(yè)學(xué)生相對于機(jī)械、土木、電氣等工科專業(yè)學(xué)生，缺乏過硬的能夠解決具體工程問題的專業(yè)知識。此外，安全工程專業(yè)學(xué)生經(jīng)過系統(tǒng)地訓(xùn)練后，一般都能從宏觀方面對作業(yè)環(huán)境、設(shè)備設(shè)施等作出定性的分析和安全評價，但對于關(guān)鍵部位和重要環(huán)節(jié)常難以做出定量的準(zhǔn)確分析。這在一定程度上不利于他們在實(shí)踐工作中的進(jìn)一步發(fā)展和在科學(xué)研究中的進(jìn)一步深入。

為此，有必要為安全工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)一門能夠綜合運(yùn)用多門課程知識以解決具體實(shí)際問題的數(shù)值模擬課程。數(shù)值模擬技術(shù)隨著計算機(jī)軟硬件的快速發(fā)展和有限元技術(shù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已成為航空航天、車輛船舶、建筑橋梁等結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析和安全校核的重要工具，也自然成為很多工科學(xué)生必須掌握的知識技能。下面從三個階段對安全工程專業(yè)的數(shù)值模擬課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行探討。

一、掌握基本的數(shù)據(jù)處理和可視化技術(shù)，能夠?qū)Φ湫蜋C(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計分析

這一階段主要基于Matlab軟件進(jìn)行教學(xué)，該軟件已深入到科學(xué)研究及工程計算各個領(lǐng)域。不僅是理工科教師和研究生，就連本科生在實(shí)踐和科研等環(huán)節(jié)也常用到Matlab軟件。

本階段教學(xué)內(nèi)容包括Matlab操作基礎(chǔ)、矩陣和數(shù)組及其運(yùn)算、符號運(yùn)算基礎(chǔ)、M文件和流程控制結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)可視化，以及基于Matlab軟件的連桿和凸輪等機(jī)構(gòu)的運(yùn)動設(shè)計和運(yùn)動分析。

二、掌握有限元分析方法的基本理論，能夠編寫簡單的有限元計算程序

有限元分析方法因其方便性、實(shí)用性和有效性已廣泛應(yīng)用于幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)城。安全工程專業(yè)學(xué)生大都就業(yè)于制造、采礦和建筑類行業(yè)，而有限元技術(shù)在這些行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛和深入。為了使學(xué)生能夠真正的掌握和運(yùn)用這門技術(shù)，必須給他們打下一定的理論基礎(chǔ)，而不能局限于軟件的操作訓(xùn)練。

本階段教學(xué)內(nèi)容包括彈性力學(xué)相關(guān)預(yù)備知識、桿件體系結(jié)構(gòu)有限元分析、平面問題有限元分析，以及基于Matlab軟件的有限元分析編程。通過編寫簡單的有限元程序，可同時強(qiáng)化學(xué)生對Matlab軟件和有限元理論的理解和掌握程度。

三、掌握常用數(shù)值模擬軟件的操作方法，能夠?qū)θS結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析

現(xiàn)有的數(shù)值模擬軟件種類繁多，許多商用軟件功能強(qiáng)大且各有所長。安全工程專業(yè)學(xué)生如果能掌握其所從事行業(yè)和研究中的數(shù)值模擬軟件，就可以在宏觀的定性分析基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)和設(shè)備等的關(guān)鍵部位和環(huán)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析，從而提出更為可靠的安全評價結(jié)論以及有效的解決方案和改進(jìn)措施。

本階段的教學(xué)內(nèi)容為ANSYS軟件操作，該軟件功能強(qiáng)大，操作簡便，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，目前已被我國100多所理工院校所使用或者作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)軟件。具體教學(xué)內(nèi)容包括ANSYS軟件界面、幾何建模和操作、有限元網(wǎng)格模型建立、力學(xué)分析求解、后處理顯示分析結(jié)果、基于強(qiáng)度與剛度的結(jié)構(gòu)安全性分析以及基于安全準(zhǔn)則的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

以上三個階段的教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣、逐層遞進(jìn)：首先使學(xué)生掌握Matlab軟件的數(shù)據(jù)處理和可視化功能，并通過機(jī)構(gòu)設(shè)計和運(yùn)動分析提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣并鞏固編程技能;其次給學(xué)生講授有限元方法基本理論，并結(jié)合Matlab軟件實(shí)現(xiàn)簡單的有限元分析，有助于學(xué)生打下扎實(shí)的理論基礎(chǔ);最后通過ANSYS軟件講解和訓(xùn)練，使學(xué)生能夠?qū)﹃P(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，并基于計算結(jié)果進(jìn)行專業(yè)的安全性評價和進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計。

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