有限元分析软件在结构损伤修理课中的应用

赵培仲等

摘要：有限元分析软件在工程实践中得到了广泛的应用。结构损伤修理课作为一门为学生后续的工程实践奠定基础的理论课程，授课过程中，特别是在修理设计部分会涉及较多的理论推导和计算。为了使理论授课内容更加直观形象，便于学生理解接受，同时增加趣味性，激发学生学习热情，笔者讨论了在损伤修理课中有限元分析软件的应用问题。

关键词：有限元；损伤结构；教学内容；教学效果

中图分类号：G40-057 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2015）11-0122-02

有限元分析已经在各工程领域得到了成功的应用，特别是一些大型的商业有限元分析软件面市后，在工程领域的应用更是不断增加。在实际工程应用和科学研究中，有限元分析软件已经成为一个重要的工具。[1]借助现代先进的计算机系统，有限元分析软件具有强大的计算和图形功能，可以将结构在载荷作用下的应力场用应力云图直观、形象地表现出来。[2]这些直观形象的图，使得原来只是理论推导的公式和数字变得更加容易被学生理解接受。[3-6]同时，如果将有限元在实际工程或科研中的应用实例和课堂教学有机结合起来，原本让学生感觉枯燥的理论讲解就会变得真实生动，进而激发他们的学习兴趣和热情，提升课堂教学效率，改善课堂教学效果。结构损伤修理课是为后续工程实践打基础的理论课，其中涉及较多的理论计算分析，特别是修理设计部分，因此，本文主要讨论借助有限元分析的强大功能，力图使抽象的内容具体化、形象化，使学生更容易理解掌握理论知识。

在损伤修理设计中的应用

修理设计是在损伤评估的基础上，通过计算分析等手段确定修理方法、修理形式以及材料选用的过程。采用复合材料粘接修理金属损伤结构是一种新的结构损伤修理方法。在修理设计中往往会涉及一些理论计算和公式的推导，如果仅仅靠教师的语言讲解分析和推导过程，容易使学生感到枯燥。而利用有限元的数值分析和图形显示功能，则可以非常直观形象地说明问题，便于学生接受。

比如，在粘接修理中通常包括单面粘接和双面粘接两种修理形式（如图1）。单面粘接由于结构不对称，导致偏心载荷，引起弯矩。双面粘接由于对称性，则不会产生偏心弯矩。通过受力分析，学生也能明白不对称带来的偏心弯矩问题。但是，他们难以意识到偏心可能带来的结构的影响。利用有限元分析软件则可以使学生非常容易明白，单面粘接对修理的不利影响（如图2），并且会有深刻的印象。基于此，教师可告诉学生，在有条件进行双面粘接修理的时候，尽量采取双面粘接修理，使他们清楚设计中的一些原则。

在选材中的应用

在修理设计的教学中，一个重要的部分是选材问题。修理形式和修理材料的选择往往是相互关联的。我们仍然以粘接修理为例来说明。

对于胶黏剂材料的选择也可以通过有限元分析进行讲解。在粘接修理中，胶黏剂是将补片和损伤结构连接起来的关键部分。它的用量较少，但胶黏剂层的作用却是非常关键的，其应力分布情况对修理后结构有非常重要的影响。胶黏剂自身的力学性能将会直接影响到胶黏剂层的应力分布情况。可具体应力怎么分布，胶黏剂的性能对应力分布又会产生什么影响，教师很难通过口头的讲解使学生建立起明确的概念。而借助有限元分析软件，则可以调整胶黏剂材料的力学性能参数，进而分析相应的应力分布情况。通过不同的应力云图的对比，学生可以非常直观地看到胶黏剂层应力的分布情况，也就可以明白胶黏剂层的关键作用。

借助有限元分析软件还可以就补片的几何形状、补片的力学性能等其他一些问题进行讲解。同样的道理，有了直观形象的图，而且通过参数的设置还能够将应力的变化规律展示给学生，学生理解掌握起来就会很容易。同时，还会激发他们学习的热情和兴趣。

结论

在结构损伤修理课中，借助有限元分析软件，利用应力云图，能直观形象地展示理论内容，激发学生的兴趣和学习热情。同时，改变设计参数，比较不同的设计可能的应力分布，能使学生明白设计的重要性，并且掌握原则规律。有限元分析软件在课堂中的运用使抽象内容变得直观，增强了教学效果，同时也进一步丰富了教学手段和方法。

参考文献：

[1]曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]赵连华.基于VB和ANSYS的《材料力学仿真实验》系统[J].长沙航空职业技术学院学报，2007，7（1）：23-25.

[3]何山，李勇伟，黄嵩.有限元软件在电机教学中的应用[J].现代教育技术，2008，18（3）：125-128.

[4]李顺才，王学峰，杨闯.ANSYS软件在材料力学教学中的应用研究[J].淮北职业技术学院学报，2010，9（1）：65-66.

[5]谢华刚.在力学教学中应用有限元ANSYS软件的优越性分析[J].高等教育研究（成都），2011，28（4）：67-68.

[6]严心池，王中华.现代结构力学教学中的有限元法[J].江南大学学报（教育科学版），2007（4）：12.