基于新工科人才培养模式的课程教学改革

2020-11-10王娟平袁格侠

中国教育技术装备 2020年24期

王娟平袁格侠

摘要为实现学生使用现代工具针对本专业领域的复杂工程问题建立等效数学模型，进行模型计算与分析的新工科人才目标，在材料力学教学中引入大型分析软件ANSYS。ANSYS在材料力学教学及求解材料力学问题中的应用，可以帮助学生更好地理解理论知识，树立工程意识和数字化思维，培养学生使用现代工具的能力。

关键词新工科;ANSYS;材料力学;数字化思维;教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）24-0036-04

Curriculum Teaching Reform based on New Engineering Talent Training Mode： Application of Engineering Analysis Software in Material Mechanics Teaching//WANG Juanping， YUAN Gexia

Abstract In order to realize the new engineering talent training goal， which the talents can use modern tools to build the equivalent mathe-matical model and use this model to calculate and to analyze complex engineering problems in the professional field， the large analysis soft-ware ANSYS was applied to the teaching of Materials Mechanics. The application of ANSYS in teaching of Materials Mechanics and problem solving of Materials Mechanics help students understand the theoretical knowledge， and set up the engineering consciousness and digital thinking， and cultivate the ability to use modern tools.

Key words new engineering; ANSYS; mechanics of materials; digi-tal thinking; teaching reform

1 引言

材料力学课程是多数工科专业（如机械、土建、交通、水利等）开设的一门专业技术基础课，在各专业课程体系中有着重要的作用。材料力学研究构件在外力作用下的变形、受力及破坏的规律，为合理设计构件的强度、刚度和稳定性提供了理论基础和计算方法。学习这门课程将为后续有关力学类、设计类专业课程的学习奠定良好的基础和提供多方面的基本能力[1]，因此，材料力学在整个课程体系中起到一个承上启下的作用。

材料力学课程中的应力、应变等概念抽象，用有限元分析软件ANSYS可直观地显示结构中的应力场和应变场，帮助学生理解概念。ANSYS在材料力学教学中的作用已得到部分教师和学生的认可，例如：苏金文[2]、郭瑞霞等[3]以及周晓敏等[4]将ANSYS用于材料力学实验教学中，帮助学生更为直观地了解材料在拉伸、弯曲和扭转中的变形过程和应力分布;陈远远[5]将ANSYS应用到弯曲正应力的教学中;锅彦娣等[6]、张志红[7]总结了ANSYS软件在材料力学教学中的优势。本文将从ANSYS引入材料力学中的重要性、ANSYS在材料力学课堂教学中的应用及对材料力学问题求解等三方面开展研究。

2 ANSYS引入材料力学教学中的意义

课程本身特点的需要材料力学课程的有些概念（如内力、应力、應变）相对抽象，这些物理量看不见，又难以感受，在普通授课过程中又难以形象描绘，因此，学生难以理解。而ANSYS软件不仅具有强大的计算能力，而且具有强大的后处理能力，可以显示应力应变位移云图、等值线图，变形过程动画和各种图表，形象直观，便于学生理解与掌握[7]。

力学架起了理论与工程应用之间联系的桥梁，是与航空航天、机械、化工、建筑、能源、国防及民用等诸多行业相关的基础学科，也是一门工程应用学科[8]。材料力学属于工程力学的范畴，与实际工程技术联系极为密切，其定理、定律和结论广泛应用于各行各业的工程技术中，是解决工程实际问题的重要基础，数值分析已经成为其三大研究方法之一。

有限元法与计算机科学发展的结果钱学森在《我对今日力学的认识》中指出：“今日力学是一门用计算机去回答一切宏观的实际科学技术问题，计算方法非常重要。”[9]有限单元法是当今工程分析中最有效最广泛应用的数值计算方法。ANSYS作为最著名通用和有效的有限元分析软件之一，集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，具有强大的前处理及计算分析能力。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的最流行的高级CAE工具。自1996年落户中国以来，ANSYS以其强大的功能、可靠的质量、良好的市场声誉，得到中国CAE界的广泛认可和青睐，被广泛用于机械制造、土木工程、汽车工业、水利工程、航空航天、石油化工、生物医学等诸多领域，为各行业的设计研究作出重要贡献[10]。

新工科人才培养目标的需要自2017年教育部高等教育司发布《关于开展新工科研究与实践的通知》以来，教育界对新工科的内涵展开了讨论，不仅包括“新的工科专业”，还包括“工科的新要求”。其指南中指出：要探索如何有效培养工科学生工程思维、数字化思维等素养。几乎所有高校所有工科专业都要求学生具有使用现代工具的能力，要求学生能够针对本专业领域的复杂问题，用现代工程工具建立等效数学模型，进行模型分析和优化。ANSYS软件在材料力学课程中的引入，不仅能帮助学生理解基本概念、基本理论，培养学生的工程思维和数字化思维，而且能培养学生分析问题、解决问题的能力。

2 ANSYS在材料力学课堂教学中的应用实例

在圣维南原理教学中的应用圣维南原理是一个局部荷载等效原理，在结构的局部作用一组等效荷载，产生的影响是局部的。具体可表述为：在弹性体的一小部分边界上，将所作用的面力作静力等效变换，只对力作用处附近的应力有影响，对离力作用处较远的应力几乎无影响[1]。圣维南原理在固体力学中占有重要地位，人们利用它来放松边界条件使问题得到简化，并卓有成效地解决了大量边值问题，解释了应力集中的现象。圣维南原理所描述的现象不仅存在于固体力学学科中，而且在流体力学、传热学、静电学和静磁学等学科中也存在[11]，深刻地理解圣维南原理将为其他学科的学习提供基础。

为了让学生更直观、深入地理解这一原理，在教学中利用ANSYS软件模拟一悬臂梁端部受三种静力等效方式作用的弯曲变形。如图1所示，梁的具体尺寸和载荷为：梁的尺寸：80 mm×8 mm×2 mm。三种载荷：在A点作用24 N的集中力，在B点作用24 N的集中力，在A、B点分别作用12 N的集中力。

在ANSYS中建立该悬臂梁有限元模型，施加约束，分别按以上三种情况施加载荷并求解。其轴向应力等值线图如图2所示。从图2可以直观地看出，不同的等效载荷只影响力作用处附近的应力分布，对其较远处几乎无影响。

在弯曲应力教学中的应用梁的弯曲应力是梁的强度校核和梁的结构尺寸合理设计的基础。梁的横截面上不仅存在正应力，还存在切应力。為了形象地表达梁横截面上弯曲正应力和弯曲切应力的分布规律，以图1悬臂梁为例，利用ANSYS的后处理器绘制某横截面上沿高度分布的弯曲正应力SX、切应力SXY和SXZ曲线图，如图3所示。从图3中可以看出，其正应力沿高度近似线性分布，上下表面分别达到最大拉/压应力，中性轴处为零;横截面上z向切应力为零，只存在y向切应力，切应力为近似抛物线分布，上下两边为零，中性轴处最大。

图4为梁横截面应力等值线图。从图4可以看出，弯曲正应力沿宽度不变，切应力在中性轴附近，沿宽度有所变换，而在较远处几乎不变。这与材料力学结论几乎一致，但不完全相同。这也说明材料力学的弯曲正应力和弯曲切应力公式适用于细长梁，而不适用于高深梁;对于细长梁来说，它的精度已经足够。

3 ANSYS在材料力学问题求解中的应用

问题描述及材料力学解答如图6所示拖架，已知杆1用钢制成，弹性模量E1=200 GPa，横截面A1=100 mm2，杆长l1=1 m;杆2用硬铝制成，弹性模量E2=70 GPa，横截面A2=250 mm2，载荷F=10 kN;在节点B处承受铅垂载荷F的作用，试求该节点B水平与垂直距离的位移[1]。由材料力学知识经计算，节点B的水平移位ΔBx=-0.404 mm，垂直位移ΔBy=1.404 mm。在计算时使用了小变形假设。

有限元计算结果在ANSYS中建立有限元模型，施加边界条件，施加载荷并求解，结果如图7所示。从图7中可知，B点水平位移为-0.419 707 mm，垂直位移为-1.408 37 mm，

这与材料力学的理论计算结果基本一致，说明在小变形情况下，材料力学的计算精度可满足工程需要。

3 结论

将ANSYS应用于材料力学教学及材料力学问题的求解中，有助于学生理解基本概念和基本理论，培养学生的工程思维和数字化思维，提高学生使用现代工程工具对工程实际问题建模、计算和分析优化模型的能力，为其成为新工科人才做好准备。

参考文献

[1]单辉祖.材料力学（1）[M].3版.北京：高等教育出版社，2009.

[2]苏金文.基于ANSYS软件在材料力学实验课程中的应用[J].科技资讯，2016（29）：135-136.

[3]郭瑞霞，文俊巍.ANSYS在材料力学实验教学中的应用[J].价值工程，2015（36）：201-203.

[4]周晓敏，孙政.将ANSYS引入材料力学课堂的教学实践[J].力学与实践，2019（2）：222-226.

[5]陈远远.ANSYS软件在材料力学弯曲正应力教学中的运用[J].河南教育，2019（7）：98-100.

[6]锅彦娣，李振纲.在材料力学教学中应用ANSYS仿真软件的探索[J].科技文汇，2017（1）：63-64.

[7]张志红.ANSYS软件在材料力学教学中的应用研究[J].海峡科技与产业，2017（1）：127-128.