材料力学概念数值模拟分析系统

2013-12-23龙连春刘海宏杨庆生

实验技术与管理 2013年8期

龙连春，刘海宏，杨庆生

（北京工业大学机电学院，北京 100124）

材料力学是传统的技术基础课，通过理论的讲解、推演使学生掌握力学基本理论，通过实验的感性认识，加深对理论的理解。但材料力学或工程力学课程设置的实验数量非常有限，往往只有几个学时，远远不够。

国外在实验教学中引入虚拟技术已经比较常见，将数值模拟技术应用到课程实验教学中，国内同行做了一些有益的尝试。国内一些高校已开发出一些模拟实验项目［1］，如:螺栓组受力分析及变形分析模拟实验、减速器装卸模拟实验、机构设计模拟实验、机构动力学性能仿真实验、破坏过程数值实验［2］等。其中:李茜等［3］介绍了数值实验的步骤、特点及其在计算物理课程中的地位，针对课程教学中存在的一些问题，提出如何重视加强数值实验环节的做法和建议；赵亚东［4］针对基础课实验室规模较小与教学任务繁重的突出矛盾，以建立虚拟实验室为突破口对基础课实验教学改革进行了尝试，分析了虚拟实验的功能特点，并在实验教学中开设虚拟实验，加强了对学生虚拟实验能力和动手操作能力的培养；王涛等［5］论述了创建数值模拟实验的必要性，介绍了开发的2个材料力学数值模拟实验以及实验取得的成效，提出了进一步推进数值模拟实验的设想；赵连华［6］应用ALGOR 有限元分析软件和Authorware开发设计了一个包括拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、压杆稳定、冲击实验的材料力学仿真实验教学系统，并将材料力学的教学与ALGOR 的数值仿真技术结合起来，提高了教学效果，弥补了因实验设备短缺对教学的影响；卞步喜［7］利用材料力学多媒体网络教学资源系统解决了由于学生与教师交流时间短、实验设备不能及时更新等问题，开展了创新模拟实验；邓劲莲等［8－10］提出把现代计算机模拟技术和仿真技术运用到理论力学多媒体教学中，该形象直观的教学模式是增强理论力学教学效果的有效手段之一，其动态效果和课堂实施性能好，使教学形式多样化，获得传统教学所没有的现场效果，更好地实现教学目的。

从以上现状可以看出:数值实验这种新的、具有创新意义的实验手段正受到越来越多的重视，但也存在一些问题［11－12］，如:缺少系统性的应用与研究，针对学生学习简单力学问题，数值模拟实验的内容不明确，系统性学习一个有限元分析软件需要花大量时间和精力，资料数据浩大，学生开始时往往感到无从下手等。而材料力学概念数值模拟分析系统已经解决了这个问题，能在尽可能少的学时内，让学生掌握模拟实验方法，无需了解商业有限元分析软件的使用，即可以使用商用软件ANSYS进行材料力学或工程力学的数值实验。

1 系统设计

设计本系统的目的是通过对材料力学基本概念的有限元模拟及结果显示，增加对材料力学的教学及基本概念的理解，使材料力学中的一些基本力学概念以更加直观的方式呈现在学生面前。目前系统的功能包括集中力作用下梁的分析（其中梁的截面包括矩形截面、圆截面、圆环截面、工字型截面、回型截面、T 型截面、L型截面、槽型截面和Z 型截面）、应力集中分析、圣维南原理分析、热膨胀分析、纯扭转分析以及圆形截面、圆环截面和方形截面压杆的轴压屈曲分析。系统可以通过简洁的界面输入基本参数值，封装调用有限元分析软件ANSYS进行分析计算，对结果进行后处理，把理论结论通过有限元计算即后处理的方法可视化展现出来。其中输入界面采用VB6.0进行编辑，直观、方便，并且有很好的交互性，学生只要有材料力学的基本知识，而不需要掌握有限元的知识和ANSYS的使用方法就能够方便、快捷地建立基本分析模型，并演示出最终结果。材料力学概念数值模拟分析系统界面如图1所示。

图1 材料力学概念数值模拟分析系统界面

2 VB封装ANSYS的实现

为了使学生在使用该系统的同时无需接触了解ANSYS软件，系统采用完全封装的方法设计，即只需要用户点击本软件的界面选项，不需要在ANSYS软件中作任何操作，其实现方法简介如下。

2.1 VB与ANSYS接口程序

VB调用ANSYS的方法有很多种，本文采用的是shell的方式。相关的调用程序为:

其中XXX.txt为载入的文件，即在VB 中形成的可由ANSYS调用的参数化命令流文件。

2.2 判断ANSYS计算过程结束

判断ANSYS计算结束的标志可以利用判断ANSYS是否生成了err文件，但这种方法不能够精确地判断ANSYS 结束的时间。本软件采用的方法是在ANSYS计算完成以后，通过ANSYS生成一个文本文件，用VB 程序来判断此文件是否生成的方法判断ANSYS计算是否结束。相关的APDL语言为:

此段命令流最后生成，是利用ANSYS生成一个名为end.txt文件，如果这个文件形成，则ANSYS计算完成。

2.3 查看结果

利用ANSYS后处理模块把应力图和变形图等结果报告及相关数据放入结果文件夹，在VB 中采用load的方法调用这些图片和结果报告，就可以在VB界面中方便地查看ANSYS计算结果。

3 利用材料力学概念数值模拟分析系统加强对基本概念的直观认识

3.1 数值实验增强对基本概念的理解

材料力学概念数值模拟分析系统包括了材料力学中大多数重要的基本概念。在教学中，学生刚接触材料力学课程，还不能在头脑中形成直观的概念，因此对课程内容难以理解。材料力学概念数值模拟分析系统提供了直观、方便的输入方式和比较完善的结果显示窗口，可使学生对材料力学概念有一个较全面的感性认识。以材料力学中圣维南原理为例，圣维南原理表明:分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的载荷所引起的物体中的应力，在离载荷作用区稍远的地方，基本上只与载荷的合力或合力矩有关。这个概念就不太容易理解，而在分析系统中，我们只要选择圣维南原理这个模块，输入简单的材料参数和力的参数就可以迅速得到结果，输入界面如图2所示。力的加载方式分别为第1块板为一个集中力，第2块板为把集中力分为等效的2个力，第3块板为等效的均布力。通过对比3块矩形板中应力分布发现:虽然受力方式不同，只要等效力一致，就可以在离受力端稍远的位置产生相同的应力，如图3所示。这种图像对比可以给学生直观、形象的解释，使这个概念更加容易被学生接受。又例如，应力在梁截面上的分布规律，书上只给了一些计算结论，而使用系统中集中力作用下梁的受力分析这个模块，选择相应的梁截面，计算出结果后，只要点击梁截面应力分布这个按钮就可以很方便地查看梁截面的应力分布，如图4（以矩形梁为例）所示。通过梁截面的应力云图显示，可以让学生在感官上理解应力在梁截面上的分布情况。在材料力学教学中出现的概念问题基本都可以使用本系统对概念形象化描述，使力学知识更加易于让学生接受，加深了学生对这些概念的理解。

图2 圣维南原理的输入界面

图3 圣维南原理的应力云图

图4 矩形截面梁应力分布

3.2 数值实验应用实例

目前该系统可以对多种基本问题进行模拟分析，如矩形截面、圆截面、圆环截面、工字型截面、回型截面、T 型截面、L型截面、槽型截面和Z 型截面梁进行形心加载和弯心加载分析，支座可以是悬臂梁或简支梁；系统还包括应力集中分析、圣维南原理分析、热膨胀分析、纯扭转分析以及圆形截面、圆环截面和方形截面压杆的轴压稳定性分析。图1（b）显示了目前该软件的主要功能。这里以“应力集中分析”简介软件的使用过程为例介绍使用步骤。

第1步:双击软件运行进入如图1的主界面，在用户名一栏填入“Stress Concentration”；在选择ANSYS安装盘符一栏选择ANSYS所安装的盘符；在ANSYS的版本信息一栏选择ANSYS的版本号；点击“确定”。

第2步:选择“分析类型”中的“应力集中分析”，进入应力集中分析界面，在栏内填入数据（如图5所示），然后点击“生成命令流文件”；再点击“调用ANSYS计算”，ANSYS计算完毕后会弹出“计算完毕”窗口。

图5 应力集中分析输入界面

第3步:点击“查看模型图”、“查看变形图”及“查看应力图”，最后可点击“生成报告”。报告中包括数据的基本信息（如图6 所示）、模型图、应力云图和应变图，应力云图如图7所示。

图6 应力集中数据的基本信息

第4步:可以改变图5中输入界面的参数，重新计算，分析主要参数对应力集中的影响。

图7 应力云图

4 结束语

材料力学概念数值模拟分析系统提供了一种基于VB调用ANSYS来解决材料力学中基础问题的方法，编制了友好的交互界面，并实现参数化输入和结果输出，在材料力学的教学中增加了学生的直观认识。虽然对基本概念的模拟与仿真表示的功能还在不断增加中，但系统框架、实现方式、学生试用等工作都已开展。通过使用本仿真平台，使学生不仅对材料力学基本概念有更加直观形象的理解，同时可以激发学生的学习兴趣，更加快速和牢固地掌握材料力学的基本知识。

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［1］鄂晓宇，孟丽君，邸魁.以实验教学的新理念建立实验教学的新体系［J］.实验室科学，2006（1）:21－22.

［2］张娟霞，郭献章，周秀艳，等.数值试验在提高材料力学课程教学效果中的作用［J］.高等建筑教育，2009，18（6）:126－129.

［3］李茜，张石峰.数值实验在“计算物理”课程中的地位［J］.高等理科教育，2005（5）:74－76.

［4］赵亚东.基础课虚拟实验教学改革与实践［J］.武警学院学报，2007，23（2）:94－96.

［5］王涛，龙丽君，禹国文，等.数值模拟技术在大学本科力学实验中的应用［J］.长沙铁道学院学报:社会科学版，2006，7（2）:51.

［6］赵连华.ALGOR 在材料力学仿真实验中的应用［J］.高等教育与学术研究，2006（6）:138－140.

［7］卞步喜.材料力学多媒体网络教学资源系统的研发［J］.科技创新导报，2008（35）:168.

［8］邓劲莲，仇君，王湘，等.计算机模拟仿真在理论力学多媒体教学中的应用［J］.广西大学学报:哲学社会科学版，2002，24（增刊）:67－69.

［9］郑碧玉.计算机网络在力学开放实验中的辅助教学［J］.中国地质教育，2005（3）:69－71.

［10］张寒虹，尹协振，续伯钦，等.力学实验教学改革实践［J］.教育与现代化，2004，73（4）:41－44.