有限元技术在流体机械强度计算教学中的应用

张宁　李忠

摘 要 针对流体机械强度计算教学中常规教学方法的不足及局限性，为了促进学生对理论知识的理解，提升学生采用现代有限元技术解决工程问题的能力，提高教学质量，在该门课程中引入现代有限元技术。以翼型强度校核的教学内容为例，详细说明有限元技术在强度校核中的应用。教学反馈表明：针对强度校核问题，有限元技术计算速度快、直观性好，学生入门容易，课堂氛围被有效调动，教学质量得到明显提高。

关键词 流体机械 强度校核 有限元

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2018.10.038

Application of Finite Element Technology in the Teaching of

Fluid Mechanical Strength Calculation

ZHANG Ning， LI Zhong

（School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013）

Abstract In view of the shortcomings and limitations of conventional teaching methods in fluid mechanical strength calculation， in order to promote students' understanding of theoretical knowledge， improve students' ability to solve engineering problems with modern finite element technology， and improve teaching quality， modern finite element technology is introduced in the course. Taking the teaching content of airfoil strength check as an example， the application of finite element technology in strength check is explained in detail. The teaching feedback shows that for the strength check problem， the finite element technology is fast and intuitive， the students are easy to get started， the classroom atmosphere is effectively mobilized， and the teaching quality is obviously improved.

Keywords fluid mechanical； strength check； finite element

0 前言

流体机械强度计算是流体机械方向本科生的必修课程，该课程涉及到数学、力学、结构学等多学科知识，概念复杂，理论公式繁琐，往往导致课堂教学内容枯燥，学生积极性不高，教师和学生互动差，教学质量不高。[1-2]此外，流体机械强度校核是一门工程性很强的课程，往往要求学生能够解决实际的工程强度问题。然而，常规教学中涉及的理论、经验公式局限性较大，仅能针对特定的、简单的零部件，通用性较差。流体机械涉及的泵型多，结构复杂，现有的强度校核理论局限性明显，导致学生难以学以致用。有限元软件Ansys-workbench经过多年的完善可以有效地解决复杂模型的强度校核问题，在现工程领域得到广泛的应用。[3-4]因此，在流体机械强度计算课堂中引进有限元方法，可以有效地提升学生解决工程问题的能力，提高教学质量，本文拟以简单翼型模型的强度校核为例，探讨有限元方法在流体机械强度计算课堂中的应用。

1Ansys-workbench在课堂教学中的应用

Ansys-workbench是一款通用的有限元软件，对于任何强度校核问题，其一般遵循以下步骤：三维建模-网格划分-约束施加-载荷加载-计算-结果分析。下面以翼型强度校核问题为例，说明Ansys-workbench在课堂教学中的应用。

图1给出了翼型三维模型，该模型采用三维建模工具Pro/E完成。

进入Ansys-workbench软件后，打开强度校核模块（static structural），其主要包括5个部分，分别为材料属性定义；几何模型导入；计算设置；求解和结果显示，如图2所示。

定义完材料属性，并导入三维模型后，接下来进入model模块，进行网格划分、约束施加、载荷给定、计算等步骤。图3给出了翼型网格图，采用自动网格划分技术完成，单元尺寸定义为6mm。

約束是结构强度校核非常关键的步骤，一定要和物理模型受到的真正约束逼近，才能得到理想的结果。Ansys-workbench软件中提供了多种约束，可根据模型实际要求选择使用。本例中翼型的约束选择为固定约束，约束面为翼型的两个端面，此外在翼型的突面施加1MPa的压力载荷，以此来分析该约束、载荷下翼型的受力、变形情况。

图4为Ansys-workbench软件计算得到的翼型变形图，可以看出翼型的最大变形位置位于翼型中心部位，且呈现对称分布特征，最大变形量为1.9mm左右，在接近约束位置的翼型端面处，变形量最小，几乎为0。

图5给出了翼型在该约束、载荷下，等效应力的分布情况，可以看出等效应力分布呈现对称特性，最大值出现在翼型端部，此外在翼型中心附近，等效应力也较大。从云图可知等效应力最大值为323MPa左右。

从以上结果可知：有限元技术在求解强度问题时，具有良好的直观性、便捷性，从变形、应力等分布云图中可以非常直观地得到模型的最大应力分布位置及数值大小，再根据相关理论判断模型设计是否合理，是否满足强度要求。在熟练掌握有限元技术后，学生可以利用软件解决复杂工程问题，此外将有限元技术引进课堂后，可以有效地活跃课堂氛围，改变传统的单向知识灌输模式，提高课堂趣味性，最终提高教学质量，促进学生掌握解决工程实际问题的能力。

2 结束语

针对流体机械强度计算课程涉及知识面广、理论公式复杂、学生学习困难等问题，将有限元计算软件Ansys-workbench引入课堂教学中，通过可视化、直观化的教学方法，让学生掌握强度计算的核心理论知识，提高学生解决工程实际问题的能力。最终达到提升学生的学习兴趣和课堂的教学质量目的，同时为流体机械强度计算教学的改革提供了一个可操作的新方法。

参考文献

[1] 周文杰. MATLAB 仿真软件在流体机械振动课程教学中的应用[J].科教导刊，2017（15）：67-68.

[2] 代翠，高波，康灿，杨敏官.面向流体机械专业的流体机械强度计算课程改革[J].科技创新导报，2016（10）：129-130.

[3] 康灿，杨敏官.测试技术课程改革与卓越工程师能力培养[J].中国现代教育装备，2012.1（137）：47-49.

[4] 宋佩维.卓越工程师创新能力培养的思路与途径[J].中国电力教育，2011.7：25-27.