浅谈计算机软件与“理论力学”相结合的教学探索

吕 尤，明 哲，辛志遐，张彦民，郎丰饶

（吉林农业科技学院机械工程学院，吉林132101）

浅谈计算机软件与“理论力学”相结合的教学探索

吕 尤，明 哲，辛志遐，张彦民，郎丰饶

（吉林农业科技学院机械工程学院，吉林132101）

随着科学技术发展水平的不断提高，理论力学作为一门经典力学课程，无论是板书式的教学方式，还是多媒体式的教学方式，都无法充分展现理论力学课程所讲授内容的理想效果，亟需更加先进的教学手段。本文着重研究MSC. NASTRAN、PRO/E和ANSYS/LS-DYNA等计算机软件与理论力学课程中的静力学、运动学和动力学的教学内容相结合，采用此种教学手段，使得理论力学课程中抽象的教学内容能够更加具体和直观地展示在学生面前，进而极大地提高了学生的理解能力和学习效率，获得了良好的教学效果。

计算机软件；理论力学；教学方法；教学效果

1　引言

随着科学技术发展水平的不断提高，高校课程的教学方法、教学手段和教学内容也在随之发生改变［1］。理论力学课程是所有工科类专业最重要的专业基础课之一，传统的教学方式是通过板书的形式进行讲授。近年来，随着计算机技术和网络技术的飞速发展，多媒体作为一种新兴的教学方式也悄然兴起，并逐渐取代了“板书”，成为理论力学课程最主要的授课方法。本文着重研究MSC.NASTRAN、PRO/E和ANSYS/LS-DYNA等计算机软件与理论力学课程中的静力学、运动学和动力学的教学内容相结合，进而完成教学手段改进和教学效果提高的有益探索。

2　静力学与MSC.NASTRAN软件相结合

2.1MSC.NASTRAN软件简介

MSC.NASTRAN是一个通用的有限元商业软件，它为用户提供了方便的模块化功能选项，其主要功能模块包括：基本分析模块（含有静力、模态、屈曲、热应力、流-固耦合以及数据库管理等）、动力学模块、热传导模块、非线性分析模块、设计灵敏度分析以及优化模块、超级单元分析模块、气动弹性分析模块、DMAP用户开发工具模块以及高级对称分析模块。除了模块化之外，MSC. NASTRAN还可以按照解题规模，在10 000节点到无限个节点范围之内，根据不同的节点数，形成解题规模大小不同的软件版本。

2.2静力学与MSC.NASTRAN软件的结合方式

在理论力学课程的第一部分内容——静力学中，研究了物体在力系作用下的平衡规律，主要内容包括物体的受力分析、力系的等效替换或简化、建立各种力系的平衡条件等［2］。静力学涉及到各种类型的力的作用，包括“约束”与构件之间，构件与构件之间，构件与载荷之间，其中载荷又有主动力和均布载荷之分，在学生进行学习的过程中，往往只能依靠想象来揣测各种力的作用情况和作用效果，而部分理解能力较差的同学则难以弄懂静力学课程所讲授的内容。根据有限元的理论知识，可以在MSC.Patran软件中构建各种“约束”和构件有限元计算模型，并施加载荷和设置边界条件，再将其导入到MSC.NASTRAN软件中进行求解，这样一来，一方面能够将具体的工程问题按照工程分析要求转化为有限元模型，进行分析与求解，更为重要的是，能够使得学生从理论力学的角度更加深入地理解研究对象的工作原理，这对以后学生学习其他力学课程，以及未来从事工程设计工作都具有重要的指导意义。

3 运动学与PRO/E软件相结合

3.1PRO/E软件简介

PRO/E是由美国PTC公司研发的一套三维CAD/CAM参数化软件系统，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成产品的全过程、其中包含了大量的电缆、管道布线、模具设计与分析等实用模块，应用范围涉及航空行体、汽车、机械、数控（NC）加工、电子等诸多领域。

3.2运动学与PRO/E软件的结合方式

在理论力学课程的第二部分内容——运动学中，其内容主要是从几何的角度研究物体的运动，包括物体的运动轨迹、运动方程、速度、加速度、角速度、角加速度等［3］。物体在力的作用下的运动规律是一个十分复杂的问题，因此，在运动学中不考虑物体运动的物理因素，这就为理论力学第三部分——动力学内容的学习打下了良好的基础。但是，教材中的例题和习题都是静止的，学生只能凭空想像物体的运动状态。通过PRO/E软件的应用，可以构建各个构件的物理模型，在各个模型的关键节点上设置伺服电动机和边界条件，从而，能够让整个物体系统的运动状态直观地展现在学生面前，极大地提高了学生对运动学所讲授内容的理解能力。

4　动力学与ANSYS/LS-DYNA软件相结合

4.1ANSYS/LS-DYNA软件简介

ANSYS/LS-DYNA是世界上最著名的通用显式非线性动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂的非线性（包括大位移、大转动和大应变）、材料非线性（包括140多种材料的动态模型）和接触非线性（含50多种）问题，特别适合求解各种二维和三维非线性结构的高速碰撞、爆炸后金属成形等非线性动力学冲击问题，同时可以求解传热、流体、以及流固耦合问题。

4.2动力学与ANSYS/LS-DYNA软件结合方式

在理论力学课程的第三部分内容——动力学中，其内容主要是物体的机械运动与作用力之间的关系。静力学研究了作用于物体上的力，运动学研究了物体的运动而忽略了力的作用，然而，动力学却对物体的机械运动进行了全面的分析，建立了物体机械运动的普遍规律［4］。动力学的形成和发展是与工程应用紧密相连的，尤其是对于科学技术飞速发展的当下，为动力学提出了许多极其复杂而严峻的课题，例如：高速运转机械的动力计算、高层结构建筑受到风载荷及地震的影响、宇宙飞船及火箭推进技术、以及机械人的动态特性等，这些问题都需要应用动力学的相关理论知识作为支撑，方可进行分析与解决。在动力学中，最难以理解和最为常见的内容是能量的传递和转换过程，如何让“能量”这一看不见且摸不着的抽象概念具体化，使得学生能够更快地理解和掌握能量的转换规律，就需要借助ANSYS/LS-DYNA软件的帮助。通过ANSYS/LS-DYNA软件的应用，将质点或刚体相互作用过程中的能量转化以应力和应变的形式表现出来，由应力图和应变图的动画演示，学生可以清楚地观察能量传递的全过程，从而，实现了理论力学内容与材料力学内容的有效衔接，为学生未来学习材料力学课程奠定了坚实的理论基础。

［1］李秀芬.“理论力学”教学体系、教学内容及教学方法的改革与实践［J］.乐山师范学院学报，2011（26）：115-117.

［2］杨志安.“理论力学”教学中的学科渗透与融合［J］.唐山学院学报，2013，26（01）：83-90.

［3］张素颖.MasterCAM软件在理论力学中的应用［J］.科技情报开发与经济，2008（18）：153-154.

［4］刑利英，王新征.工科理论力学教学改革与实践［J］.南阳师范学院学报，2010（9）：107-109.

责任编辑：吴艳玲

Exploration of Teaching on the Combination of Computer Software and“Theoretical Mechanics”

LV You，MING Zhe，XIN Zhixia，ZHANG Yanmin，LANG Fengrao
（Jilin Agriculture Science and Technology University School of Mechanical Engineering，Jilin 132101）

With the rapid development of science and technology level，the theoretical mechanics as a classical mechanics course，whether it is writing on the blackboard style for teaching method，or multimedia type for teaching method，it can not fully show the ideal effect of theoretical mechanics course teaching content. So，the theoretical mechanics needs more advanced teaching method.This thesis focuses on the study of the combination of MSC.NASTRAN，PRO/E and ANSYS/LS-DYNA computer software and theory courses of theoretical mechanics，including statics，kinematics and dynamics.By adopting this teaching means，it makes the teaching content of theoretical mechanics course more concrete and intuitive in front of the students，which greatly improves the students understanding ability and learning efficiency，finally it obtains excellent teaching effect.

computer software；theoretical mechanics；teaching method；teaching effect

O31-4；TP319

A

2015-06-03

吕 尤（1983-），男，吉林省吉林市人，讲师，从事仿生科学与工程研究。