CAE技術(shù)在材料力學(xué)全過程教學(xué)中的應(yīng)用與探索

呂 償，李 林，李彥霞

(廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州，510450)

材料力學(xué)作為機(jī)械類專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，與機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計等專業(yè)必修課程聯(lián)系緊密，對于機(jī)械專業(yè)的學(xué)生而言是極為重要的。學(xué)習(xí)材料力學(xué)有助于學(xué)生從本質(zhì)上認(rèn)知機(jī)械零件在設(shè)計中涉及的材料選擇、尺寸最優(yōu)化、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度危險點檢測等問題。因此，該課程在工程實踐中有著極其重要的地位，是解決工程實際問題的重要理論基礎(chǔ)課程。

材料力學(xué)教學(xué)的傳統(tǒng)課堂是以理論講授為主、以試驗為輔的教學(xué)模式。材料力學(xué)主要涉及軸類零件的單向軸向拉(壓)、扭轉(zhuǎn)、彎曲等力學(xué)分析問題，在講授中涉及大量的力學(xué)建模與公式，教學(xué)的主導(dǎo)思想是從本質(zhì)上去“解剖”工程實際中涉及的力學(xué)問題，但實際工程問題中極少存在單向受力，多為多向受力，且構(gòu)件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜；而人工計算非常復(fù)雜，多向受力狀態(tài)顯得捉襟見肘。實際工程問題中的復(fù)雜計算采用人工計算顯然不切實際，計算機(jī)輔助分析(CAE)技術(shù)就顯得尤為重要。因此，學(xué)生在掌握材料力學(xué)原理基礎(chǔ)上，還要理解力學(xué)分析的本質(zhì)問題，從而利用CAE技術(shù)解決較為復(fù)雜的工程問題，真正地將理論運用于實踐，學(xué)會采用先進(jìn)技術(shù)手段解決工程問題。

對于本科材料力學(xué)的教學(xué)而言，以應(yīng)用型本科高校為例，鑒于學(xué)生掌握高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等通識課程的熟練程度不高，在選擇材料力學(xué)教材時往往偏向于簡單化，對于材料力學(xué)中涉及的理論知識點均未作較深入探討，故將理論運用于實踐存在一定難度，導(dǎo)致教學(xué)效果難以達(dá)到預(yù)期，學(xué)生對材料力學(xué)的學(xué)習(xí)動力不足?？梢姡皩W(xué)”不能以“致用”是材料力學(xué)教學(xué)中的主要矛盾。因此，提高材料力學(xué)教學(xué)的實用性和學(xué)生對材料力學(xué)課程的學(xué)習(xí)動力迫在眉睫。為此，國內(nèi)外高校學(xué)者不斷探索新的教學(xué)思路與方法，以期解決材料力學(xué)教學(xué)中存在的問題。經(jīng)查閱文獻(xiàn)，普遍做法為將計算機(jī)輔助軟件引入課堂，但涉及課程的課時較為有限，往往只做直觀展示。戴有華將UG引入教學(xué)，以提高學(xué)生材料力學(xué)學(xué)習(xí)興趣和解決工程問題的效率。[1]張俊等借助LS-DYNA碰撞應(yīng)用軟件解決工程實踐問題，通過直觀的數(shù)值仿真的方式培養(yǎng)學(xué)生對力學(xué)建模和解決實際問題的興趣，同時結(jié)合工程實際案例的教學(xué)，展示了有限元軟件在分析復(fù)雜工程問題中的優(yōu)勢。[2]谷俊斌和賈宏玉以通用有限元軟件Ansys引入復(fù)雜模型的建模、求解、后處理等方式展現(xiàn)了計算機(jī)輔助分析在傳統(tǒng)材料力學(xué)領(lǐng)域處理實際工程問題中的優(yōu)勢。[3]時強(qiáng)、王新武和孔劉林探討了材料力學(xué)的教學(xué)方式重點在于更多地引入工程實踐，用所學(xué)理論知識解決實際工程問題。[4]綜上所述，國內(nèi)學(xué)者研究的重點在于將材料力學(xué)與實踐結(jié)合起來，并將CAE技術(shù)植入工程力學(xué)的教學(xué)當(dāng)中，體現(xiàn)了CAE技術(shù)的優(yōu)點。本文旨在探索一種在學(xué)生能接受理論知識的前提下又能通過CAE仿真技術(shù)解決相對復(fù)雜的工程力學(xué)問題的方式，將CAE技術(shù)貫穿于整個材料力學(xué)的教學(xué)中，不再是做個別“演示”，而是以實際工程項目中涉及的相關(guān)材料力學(xué)知識點為主線，以“任務(wù)+項目”為形式展開教學(xué)，以項目為情景導(dǎo)入，使學(xué)生快速理解教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)生帶著教學(xué)目標(biāo)去學(xué)習(xí)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。該教學(xué)方法的每一堂課都會有教學(xué)任務(wù)，而每一個教學(xué)任務(wù)都是項目的組成部分，完成教學(xué)任務(wù)即完成教學(xué)目標(biāo)。在項目中融入CAE技術(shù)時，學(xué)生需要具備扎實的材料力學(xué)理論基礎(chǔ)，結(jié)合之前在單元里面的若干任務(wù)組成一個綜合訓(xùn)練項目，再通過有限元軟件Ansys解決該綜合項目，并形成分析報告，作為學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的考核項之一。

一、材料力學(xué)教學(xué)學(xué)情分析

材料力學(xué)是一門理論性很強(qiáng)的工程技術(shù)基礎(chǔ)課程，以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理為先修課程，對相關(guān)力學(xué)模型進(jìn)行建模計算分析。大量公式推導(dǎo)一定程度上加大了本門課程的學(xué)習(xí)難度，加之傳統(tǒng)教學(xué)模式以教師“單向灌輸”式教學(xué)為主，講授內(nèi)容的繁簡、知識點探討的深度、重點難點的取舍均以傳統(tǒng)研究型本科院校的模式展開，偏重純理論的探討，忽視了與工程實踐問題的銜接，對新技術(shù)、新方法在工程技術(shù)上的運用甚少。綜合以上學(xué)情考慮，探索一種行之有效、能讓學(xué)生學(xué)以致用的材料力學(xué)課程教學(xué)模式迫在眉睫。

二、建立科學(xué)的課程體系

結(jié)合材料力學(xué)教學(xué)的學(xué)情，本研究探索了一套適合應(yīng)用型本科院校教學(xué)的新模式，對材料力學(xué)所涉及的理論知識點進(jìn)行了科學(xué)規(guī)劃，建立了完備的課程設(shè)計體系。該體系以單節(jié)任務(wù)和單元項目的形式展開教學(xué)，以工程實踐問題為出發(fā)點進(jìn)而對相關(guān)理論知識點展開探討，以發(fā)現(xiàn)問題為起點，以解決問題為目的，以工程力學(xué)知識點總體框架為主線，合理安排章節(jié)講解次序。就單節(jié)知識點而言，本文以軸類零件拉(壓)知識模塊設(shè)計為例進(jìn)行列舉，具體如表1所示。

表1 軸類零件拉(壓)基礎(chǔ)知識框架

可見，該體系由基礎(chǔ)知識逐步向綜合知識延伸，由理論向?qū)嵺`應(yīng)用延展，科學(xué)布局，在確定課程總體目標(biāo)的前提下，細(xì)化到每一個章節(jié)，確定章節(jié)的知識目標(biāo)、能力目標(biāo)、素養(yǎng)目標(biāo)，同時制定每一個小節(jié)的任務(wù)驅(qū)動，以任務(wù)驅(qū)動加項目的形式帶動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，以小組完成章節(jié)任務(wù)驅(qū)動和項目為重要考核指標(biāo)，增加學(xué)生獨立思考的空間，教師以啟迪的形式參與學(xué)生討論，以針對性精講、側(cè)重于難點講解為主，避免“滿堂灌”的模式，突顯以學(xué)生為中心的教學(xué)范式。

三、教學(xué)手段創(chuàng)新

(一)發(fā)揮CAE技術(shù)在教學(xué)中的重要作用

材料力學(xué)是一門理論性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)教學(xué)以講授理論知識點為主，對于解決復(fù)雜工程案例中所涉及的力學(xué)問題，因考慮人工計算量過大等因素，故在理論教學(xué)中涉及的實際工程案例也相對簡單，大部分所涉及的內(nèi)容均為單向應(yīng)力狀態(tài)，而實際工程案例均為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與工程實際工程案例不符，導(dǎo)致學(xué)生不能較好地將理論運用于實踐。由此可見，傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)難以適應(yīng)應(yīng)用型本科教學(xué)的需要。應(yīng)用型本科以重技能、培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題能力為教學(xué)出發(fā)點，而CAE技術(shù)的引入可以彌補(bǔ)應(yīng)用型本科學(xué)生理論基礎(chǔ)薄弱的問題。

(二)CAE在材料力學(xué)教學(xué)中的算例

以掌握基本力學(xué)概念為前提，學(xué)生要能靈活運用新技術(shù)、新方法解決實際工程問題。材料力學(xué)中主要解決構(gòu)件在軸向拉伸(壓縮)、扭轉(zhuǎn)、彎曲等變形形式下的應(yīng)力應(yīng)變。以某階梯軸為例，該階梯軸分三段，長度分別為1000mm、500mm、800mm，直徑分別為Ф400mm、Ф600mm、Ф500mm。材料為Q215，材料的本構(gòu)關(guān)系為線彈性材料，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.28，在階梯軸底部施加全約束。該階梯軸的有限元模型繞其軸線(Z軸)施加100N·m的扭矩時，階梯軸應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D1(a)(b)所示。

圖1 扭轉(zhuǎn)變形階梯軸應(yīng)力應(yīng)變云圖

通過CAE技術(shù)分析得出的階梯軸的應(yīng)力應(yīng)變云圖，清晰地顯示了最大的應(yīng)力為0.17MPa，并且應(yīng)力云圖中顯示了最大應(yīng)力的位置位于階梯軸突變處，與傳統(tǒng)手算相比較，快速、準(zhǔn)確且更加直觀地展示了力學(xué)分析的結(jié)果。

在此前已建立的有限元模型基礎(chǔ)上添加集中力，即在階梯軸自由端以X軸方向添加1000N集中載荷，使階梯軸產(chǎn)生彎曲變形，其應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖2(a)(b)所示。

圖2 彎曲變形階梯軸應(yīng)力應(yīng)變云圖

在無需二次建模的情況下，通過改變載荷形式，可以分析出階梯軸在彎曲變形時的應(yīng)力應(yīng)變云圖，其最大應(yīng)力為0.33MPa。這樣的應(yīng)力分布更為明了直觀地展示了階梯軸在彎曲變形時的應(yīng)力分布特征，更有利于學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)，并形成反思。

在此前已建立的有限元模型基礎(chǔ)上添加集中力，使階梯軸產(chǎn)生拉伸變形，在階梯軸自由端以Z軸方向添加1000N集中載荷，可以得出其應(yīng)力應(yīng)變云圖，如圖3(a)(b)所示。

施加軸向載荷，可以分析得出階梯軸在軸向拉伸時的應(yīng)力應(yīng)變云圖，在軸向施加了1000N的載荷作用下，整個階梯軸的軸向變形量為0.013mm。

綜合上述算例不難發(fā)現(xiàn)，學(xué)生可以通過掌握基本的CAE技術(shù)解決工程實際問題的方法，進(jìn)而延伸至類似的復(fù)雜問題，將理論知識與實際實踐有機(jī)結(jié)合，將CAE技術(shù)貫穿整個教學(xué)，讓學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)，學(xué)會學(xué)以致用。

圖3 軸向拉伸變形階梯軸應(yīng)力應(yīng)變云圖

(三)立足本地產(chǎn)業(yè)鏈，發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研合作優(yōu)勢

“產(chǎn)、學(xué)、研”一直是教學(xué)中非常重要的環(huán)節(jié)。運用理論知識解決實際工程問題，將工程問題引入學(xué)術(shù)研究課題，可以使新技術(shù)、新方法更完善地運用在實際工程問題中。對教師而言，以實際工程問題作為授課素材，內(nèi)容豐富、貼近實戰(zhàn)；將關(guān)鍵技術(shù)作為研究課題也是提升科研水平的一項途徑，教師應(yīng)不斷提升自身理論水平與實戰(zhàn)經(jīng)驗，從而更好地服務(wù)課堂。對學(xué)生而言，這種教學(xué)方法不僅能使理論得到檢驗，更能使學(xué)生在實戰(zhàn)中得到鍛煉，考慮工程問題時不再是“紙上談兵”。高校可以為合作企業(yè)提供理論支撐，企業(yè)可以為高校提供實戰(zhàn)經(jīng)驗和試驗平臺，二者互補(bǔ)，充分發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研在教學(xué)中的優(yōu)勢。

四、考核方式創(chuàng)新

傳統(tǒng)教學(xué)模式主要以期末筆試的形式來衡量學(xué)生對本門課程掌握的程度。這種考核方式的弊端已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)，即無法在整個教學(xué)中體現(xiàn)出學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，且考核方式僅通過理論筆試，在現(xiàn)代教學(xué)法中與實踐嚴(yán)重脫軌，無法體現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上解決實際工程問題的能力，也未能體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和學(xué)會學(xué)習(xí)的能力。本次教學(xué)改革將每個教學(xué)任務(wù)、教學(xué)項目均設(shè)為課程的考核得分點，從學(xué)習(xí)的全過程中提取考核得分點，從學(xué)習(xí)的效果中找到學(xué)習(xí)的得分點，不斷優(yōu)化考核標(biāo)準(zhǔn)，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)不再是通過一場筆試來體現(xiàn)，讓學(xué)生自動摒棄“臨時抱佛腳”的做法。課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、考核方式等也可以全程記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。

本文從材料力學(xué)的學(xué)情分析，探索了一種適用于應(yīng)用型本科高校學(xué)生在材料力學(xué)教學(xué)的教學(xué)方法，明確了教學(xué)目標(biāo)，以教學(xué)項目為主線導(dǎo)出材料力學(xué)所涵蓋的知識點，通過教學(xué)任務(wù)去逐步完成教學(xué)項目，將CAE技術(shù)貫穿材料力學(xué)的整個教學(xué)過程中。新技術(shù)、新方法使材料力學(xué)更具有實用性，更有助于學(xué)生借助CAE技術(shù)解決復(fù)雜的實際工程問題。此外，本文基于全過程教學(xué)，有別于傳統(tǒng)的教學(xué)考核模式，將每一個教學(xué)環(huán)節(jié)都納入學(xué)生的考核范圍，注重過程學(xué)習(xí)，用解決實際工程問題的能力作為考核的重要指標(biāo)。