ANSYS軟件在材料力學教學中的應(yīng)用

1、ANSYS軟件在材料力學教學中的應(yīng)用摘要：材料力學是工科專業(yè)的一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課，在專業(yè)課與基礎(chǔ)課之間起到橋梁的作用。在材料力學課程講 授中，理論性較強，推導公式復雜，學生對于抽象的概念比較難理解。文章借助ANSYS軟件將材料力學抽象知識 具體化、形象化，提高了學生的學習積極性，培養(yǎng)了學生解決工程實際問題的能力，同時對教師的科研能力起到了 一定的促進作用。關(guān)鍵詞：材料力學；ANSYS軟件；應(yīng)力；內(nèi)力圖Application of ANSYS Software in Material Mechanics TeachingAbstract: Mechanics of materials is a

2、compulsory basic course for engineering majors, which acts as a bridge between the specialized courses and the basic courses. In the teaching of mechanics of materials, the theory is strong and the formulas are complicated, it is difficult for students to understand the abstract concept. In this pap

3、er, the abstract knowledge of material mechanics is concretized and visualized by means of ANSYS software, which improves students learning enthusiasm and trains studentsability to solve practical engineering problems, at the same time, it plays a certain role in promoting the scientific research ab

4、ility of teachers.Keywords: Material mechanics; ANSYS software; Stress; Internal force diagramCLC NO.: G642.0 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)21-191-03引言材料力學是研究材料在各種外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng) 力、強度、剛度、穩(wěn)定和導致各種材料破壞的極限。它是固 體力學的一個分支，其主要任務(wù)是將工程結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件，在 保證其強度、剛度和穩(wěn)定性的前提下，以最經(jīng)濟為代價，選 擇合適的材料，并確定合理的截面形狀和尺寸1。材料力學 課程

5、主要介紹構(gòu)件的軸向拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲四種基本 變形形式，知識點較多，理論性較強，且公式推導過程復雜。 有限元技術(shù)是一種結(jié)合力學、數(shù)學、計算機圖形學等多學科 的一種新型的科學技術(shù)，在科學研究領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用， 其通過計算機圖形學等方法2，可以將計算得到的數(shù)據(jù)借助 于圖形或者圖表的方式直觀地展示給用戶。通常在工程應(yīng)用 中需要借助于有限元工具ANSYS計算出結(jié)構(gòu)或者材料的應(yīng) 力、應(yīng)變、能量等變化規(guī)律，這和材料力學的研究內(nèi)容不謀 而合。將ANSYS軟件的應(yīng)用融合到材料力學課程的教學中 將是未來發(fā)展的一個趨勢3。材料力學傳統(tǒng)的授課方式以純理論教學為主，學生學習 積極性差，興趣不高，因此，將ANSY

6、S軟件與材料力學課 程相結(jié)合新型授課方式與傳統(tǒng)教學方式相比，既具有挑戰(zhàn)性又具有必然性，通過用此教學方式不但可以拓寬學生視野， 激發(fā)學生對材料力學的學習興趣，加深學生對基本理論知識 的理解，同時還可以提高學生利用ANSYS軟件來解決實際 工程問題能力。1圣維南原理桿件發(fā)生軸向拉壓變形時，外力引起內(nèi)力，而內(nèi)力不能 用來判斷桿件是否容易發(fā)生破壞，需要通過應(yīng)力來衡量。軸 向拉壓變形橫截面上的應(yīng)力分布規(guī)律和計算公式通過平面假 設(shè)推導得到：應(yīng)力均勻分布。但此分布規(guī)律有一定的適用條 件，即構(gòu)件所受外力必須為均布力，如果更換為集中力，橫 截面上的應(yīng)力將不再均勻分布。對于兩種不同受力情況下的 應(yīng)力分布規(guī)律，比較

7、抽象，學生不能通過想象來理解，因此 需要借助ANSYS仿真軟件，將兩種不同受力方式下的應(yīng)力 分布規(guī)律進行計算并輸入分布云圖，讓學生通過觀察對比分 布云圖來理解應(yīng)力分布規(guī)律的變化，最終得到圣維南原理。 利用ANSYS軟件計算結(jié)果，讓抽象內(nèi)容具體化，讓學生更 容易理解與記憶，提高學生的學習興趣。圖1力作用方式不同產(chǎn)生的影響2應(yīng)力集中對于軸向拉壓變形在平面假設(shè)成立的前提下，得到其橫 截面上的應(yīng)力均勻分布，但工程構(gòu)件不可避免地會開孔或開 槽，讓構(gòu)件的局部尺寸發(fā)生突變，那在尺寸發(fā)生突變處，應(yīng) 力會急劇增加4，產(chǎn)生應(yīng)力集中，對于應(yīng)力急劇增加的現(xiàn)象, 借助ANSYS軟件計算結(jié)果進行講解，通過觀察計算云圖應(yīng)

8、力分布規(guī)律，讓學生了解應(yīng)力集中的概念，以及尺寸突變處 應(yīng)力的分布規(guī)律。圖2采用有限元計算了帶有圓孔的平板的應(yīng)力3內(nèi)力圖繪制ANSYS軟件主要是通過建立幾何模型，設(shè)置邊界條件， 最終繪制出構(gòu)件的內(nèi)力圖，求解構(gòu)件的強度和剛度問題，這 與材料力學的基本任務(wù)是不謀而合的，所有利用ANSYS軟 件可以更快速、便捷的求解出構(gòu)件的應(yīng)力和變形，而省去了 我們?nèi)肆M行手算的時間，省時、省力。為了進一步驗證 ANSYS軟件與材料力學所授理論的一致性，在彎曲變形講 授彎曲內(nèi)力圖繪制的知識點時，會讓學生利用所學的理論知 識繪制出內(nèi)力圖，并與ANSYS軟件繪制出的內(nèi)力圖進行對 比分析，通過對比發(fā)現(xiàn)，兩者結(jié)果完全一致。這

9、也進一步驗 證了理論與軟件的一致性，增加學生對軟件的興趣，為后續(xù) 畢業(yè)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。圖3內(nèi)力圖繪制圖4 ANSYS軟件邊界條件設(shè)置圖5 ANSYS軟件內(nèi)力圖繪制4剪切應(yīng)力分布剪切變形是材料力學研究的四種基本變形之一，它主要 發(fā)生在連接件之間，起到傳遞力或力矩的作用，主要發(fā)生在 螺栓、健、鉚釘?shù)冗B接件上。由于連接件尺寸較小，所以工 程中對其正常工作時的應(yīng)力分布規(guī)律并沒有進行深入研究， 但在理論教學中需要對其應(yīng)力分布規(guī)律進行了解。因此，構(gòu) 件發(fā)生剪切變形時，其橫截面上應(yīng)力的分布規(guī)律就可以通過 ANSYS軟件計算得到，讓學生了解剪切變形應(yīng)力分布規(guī)律， 并對應(yīng)力分布規(guī)律的原因進行進一步探索，進一步提

10、高了課 堂的挑戰(zhàn)性。圖6鉚釘應(yīng)力分布規(guī)律在材料力學課程中利用ANSYS軟件進行教學，將先進 的設(shè)計理念引進課堂教學中，能使學生掌握專業(yè)軟件和現(xiàn)代 設(shè)計方法，拓寬知識面，加強教學與工程應(yīng)用之間的有機結(jié) 合。同時培養(yǎng)學生的建模能力，學生可以根據(jù)課堂內(nèi)所學的 基礎(chǔ)理論建立材料力學模型，根據(jù)具體問題選擇合理的計算 模型，提升學生的獨立思考能力。引入工程實例，培養(yǎng)學生 解決實際工程問題能力。學生能夠?qū)處熖岢龅膶嶋H工程問 題，利用ANSYS軟件進行模擬計算，并對計算結(jié)果的合理性 進行定性判斷。利用所學理論知識與軟件計算結(jié)果進行對比分 析，提升學生自主學習和科學研究工作的能力。學生在教師的 引導下，在課程

11、初期確定一個與自己研究方向相關(guān)的模擬題 目，然后帶著問題進行課程學習，進一步明確學生的學習目 標，提高學習的主動性。利用ANSYS軟件進行教學的過程 中，不僅可以讓學生了解和學習軟件，同時也提升教師的科 研能力和社會服務(wù)能力，老師深入開展仿真模擬軟件環(huán)境下 的課堂教學模式研究，加強了學科整合力量，提高了科學研 究水平，與實際工程相結(jié)合，提高了為企業(yè)服務(wù)的能力。5總結(jié)（1）固有課程與模擬軟件有機結(jié)合。將材料力學中抽 象、復雜和難懂的物理模型進行簡化，運用ANSYS軟件模 擬構(gòu)件在受力時的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，并轉(zhuǎn)換為生動的圖形、 圖像及動畫，有助于提高學生的形象思維能力，幫助學生理 解和掌握抽象的理論知識，提高課堂教學質(zhì)量，激發(fā)學生的 學習興趣和動力。（2）理論知識與實際工程有機結(jié)合。將課堂所學理論知 識與實際工程相結(jié)合，針對具體的工程問題，運用ANSYS 軟件，依據(jù)工程實際對求解模型進行簡化，然后利用材料力 學的理論對模型進行邊界條件的設(shè)置，最后求解，培養(yǎng)學生 在實際工程中應(yīng)用軟件的能力。（3）軟件與理論教學相結(jié)合的新型授