将ANSYS引入材料力学课堂的教学实践

1、将ANSYS引入材料力学课堂的教学实践摘要材料力学的传统课堂教学着力于公式的理论推导，内容相对枯燥；而实验课难以与课堂教学 同步进行，且无法直观给出除变形以外的其他信息。为提高课堂教学效果，将ANSYS引入材料力学的 课堂教学中，通过动画和云图的方式生动形象地给出材料力学各类变形问题中变形和应力情况，结合理 论公式同步讲解，不仅可以加深学生对各类力学概念、知识点以及公式的认识和理解，而且可以激发学 生的学习兴趣和创新性思维，有助于工程应用型人才的培养。关键词材料力学，教学改革，工程应用型人才ANSYS AND TEACHING OF MECHANICS OF MATERIALS1)Abstra

2、ct The traditional classroom teaching of Mechanics of Materials focuses on the theoretical derivation of formulas, with relatively boring effect. The experimental classes cannot coordinate with the theoretical course, and it is impossible to show the other information than the deformation of the spe

3、cimen. In order to improve the teaching efficiency, ANSYS is introduced into the classroom of mechanics of materials. Through the animation and contour figures, the deformation and the stress of the basis problems of Mechanics of Materials are presented. With the theoretical formula, it can not only

4、 deepen the students understanding of various mechanical concepts, knowledge points and formulas but also stimulate students learning interest and innovative thinking. It is helpful for the cultivation of engineering talents.Key words mechanics of material, teaching reformation, engineering talent材料

5、力学是各类工科专业的基础课程之一，理 论性较强。传统课堂教学着力于公式的理论推导, 内容相对枯燥，学生学习兴趣不高，教学效率较低; 而实验课难以与课堂教学同步进行，且无法直观给 出除变形以外的其他信息，同时学生难以将实验内 容和课本知识相结合，同样教学效果不佳。因此, 如何提高材料力学的教学效果一直是力学教学改革 中的热点之一。特别是在目前专业改革的大环境之 下，材料力学课程的教学课时一直在被压缩，因此 材料力学教学难度在不断地增加。与此同时，教育 部明确提出要建立学校教育和实践锻炼相结合的创 新人才培养模式，探索并推行创新型教育方式方法, 培养创新研究型人才成为高校教育重点之一。钱 学森曾强

6、调“今日力学是一门用计算机去回答一切 宏观的实际可行技术问题”。虽然数值模拟在力学 教学中已有了初步的探索和应用I3，但仍有待进 一步研究。本文首先介绍材料力学的教学难点，并说明将 ANSYS引入材料力学课堂教学中的意义，进而以 轴向拉伸、圆柱扭转和梁弯曲问题为案例对具体教 学改革模式和实践进行探讨，最后给出小结。1材料力学的教学难点材料力学课程涉及大量的、抽象的力学术语和 概念。以弯曲变形为例，课程内容主要有弯曲内力、 弯曲应力及弯曲变形，涉及到弯矩、剪力、正应力、 切应力、惯性矩、转角、挠度等较为复杂又抽象的 力学概念，学生难以很好地理解和掌握各个力学概 念以及他们各自之间的关系司。并且，

7、材料力学中 一部分概念有其专属性，如扭矩只在扭转变形中出 现，弯矩只在弯曲变形中出现，导致需要学生理解 和掌握的名词成倍增加；弯曲变形中的挠度或挠曲 线概念，在没有参照物的情况下，单从其名称或概 念，无法正确地理解其力学意义。其次，材料力学中公式复杂且易混淆。以胡克 定律为例，材料力学课程前接课程中胡克定律的概 念是f = kx，而在材料力学课程学习中，胡克定 律则为由材料本构关系组成的、根据实际情况不同 而不同的一系列方程组，如：在轴向拉压中就有单 轴拉伸的胡克定律及单轴应力状态下的胡克定律两 种；而在平面应力状态中，胡克定律更是由6个方 程组成的方程组。此类公式颠覆了学生在过去多年 学习中

8、的知识积累和储备，而且材料力学大量的知 识点互为关联，不便于学生理解和记忆，增加了教 学的难度。同时，材料力学所涉及的变形问题未在高中物 理、大学物理以及理论力学中出现过，学生要在短 时间内接受研究对象为非刚体，难度较大，而目前 传统的教学方法一般依靠教师口头讲述以及补充身 边实例的方式来弥补理解上的困难，但此类方法实 例或过于简单、或不够生动形象，有时需要从复杂 的实例中剥离知识点，浪费时间且容易混乱学生的 思路、不便于学生的理解和接受。2将ANSYS引入材料力学教学的意义ANSYS是目前常见的通用有限元分析软件I6， 其强大的后处理模块可以直观地反映计算模型的变 形、应力、应变等信息，因此

9、，在材料力学课堂教 学中引入ANSYS，有利于将各类力学概念通过云 图直观地表达出来，结合ANSYS云图可以生动形 象地对各种力学概念、知识点以及力学公式进行讲 解，可以很好地弥补材料力学理论课程中脱离实际、 不利于学生理解和接受的缺陷，既可丰富教学内容、 提升学生的学习兴趣，又便于学生直观地了解材料 力学的工程应用，激发学生创新思维能力，提高学 生的工程应用能力。3实例分析3.1轴向拉伸问题该例为ANSYS在低碳钢轴向拉伸教学中的应 用。该问题为材料力学的基本问题之一，也是材料 力学实验中的基本实验之一。简单的课本讲解较为 枯燥，学生难以理解；而在拉伸实验过程中，实验 过程相对较短，学生往往

10、对拉伸过程中的构件形态 地变化情况印象较深，而无法了解拉伸过程中试件 的应力变化情况。引入ANSYS分析模拟，通过不同 时刻的应力云图，可以直观地显示试件在拉伸过程 中的应力变化情况，进一步通过变形动画可以形象 地给出试件在整个拉伸过程中的变形和应力云图, 可以提高学生的学习兴趣和加深学生的理解。低碳钢拉伸试件模型，如图1所示，其几何构 形与材料力学实验中保持一致，其中do = 20mm, r = 5mm, lo = 5do, l = 6do，图中虚线框为加持段。 所用软件为ANSYS 14.5,所用模块为LS-DYNA显 示动力学分析。选取低碳钢的本构模型为双线性各 项同性硬化模型，其中：材

11、料密度p = 7 800kg/m3, 弹性模量E = 200 GPa，泊松比 = 0.3,屈服应力 ay = 235 MPa,切线模量6000MPa采用二维轴对 称模型，在04 s时间段内，对左右两端虚框所示 的加持段内缓慢施加轴向拉伸位移，最大位移量达 20 mm。图1图1低碳钢轴向拉伸模型试件出现了明显的颈缩现象，同时应力分布不再均 匀，而是在颈缩区域具有较大应力分布，可帮助学 生更直观地理解轴向拉压实验的应力应变曲线，观 察力与变形的关系等，同时使学生对具体工程问题 的应力集中现象有具体的分析对象，加强了课程与 工程实际的联系。图2图2低碳钢轴向拉伸ANSYS分析动画二维码图2给出了低碳

12、钢轴向拉伸ANSYS分析动画 二维码，通过手机扫描二维码可以直观地观察构件 在整个拉伸过程中的变形和应力云图；图3给出了 典型时刻下，ANSYS给出的构件的变形和应力云 图，可以清晰给出各个时刻下应力云图的变化情况。 同时，可以看到：在初始时刻中间lo段的应力分布 较为均匀，便于学生理解试验构件必须按相关规定 进行制作和选取的原因；随着位移的进一步增大,图3不同时刻下构件的变形和应力云图3.2圆柱扭转问题圆柱扭转模型如图4所示，几何构形同样与 材料力学实验中保持一致，其中d0 = 10 mm, r = 10 mm, lo = 5do, l = 7do，图中虚线框为加 持段。分析软件为ANSYS

13、14.5，所用模块为LS- DYNA显示动力学分析，低碳钢的本构模型为各项 同性线弹性模型，其中：材料密度p = 7 800kg/m3, 弹性模量E = 200GPa，泊松比a = 0.3。采用三 维模型，在0O.lms时间段内，对左右两端虚框 所示的加持段内缓慢施加角位移，最大位移量达 0.26 radol图4圆柱扭转模型图5给出了 ANSYS所得圆柱扭转问题的动画 二维码，通过手机扫描二维码可以直观地观察圆柱 在整个扭转过程中的变形和应力云图；图6给出了 几个典型时刻下，ANSYS给出的构件的变形和应 力云图，可以清晰给出各个时刻下变形和应力的分 布和变化情况：（1）圆柱沿其中心轴线发生了

14、明显的 扭转变形；（2）切应力在圆柱中间l区域段分布较为 均匀。图7给出了圆柱中心截面切应力的分布云图。 通过图7可直观地表示出切应力随半径的变化的情 况。课本只能展现平面问题，通过ANSYS可立体 地将三维扭转问题中的切应力分布情况及变形情况 展现在学生面前。图5圆柱扭转ANSYS分析动画二维码图7圆柱中心截面扭转切应力云图3.3简支梁弯曲问题梁弯曲模型如图8所示，其中l = 20 cm, h = 2 mm, a = 5 cm。 所用模块为ANSYS静力 分析模块，材料本构模型为线弹性，其中：材料 密度p = 7 800 kg/m3，弹性模量E = 200 GPa，泊 松比 =0.3。采用二

15、维平面应力模型，集中力 F = 300kN，在图示梁左右两端位置施加简支 约束。FF IlI图8梁弯曲模型图9和图10分别给出了简支梁整个模型和 简支梁中间纯弯曲部分的变形和正应力云图, 可以直观地显示正应力随梁高度的线性变化, 方便学生对应力求解公式。=Fay/Iz的理解。 可以看出：梁下端面的拉应力分布较为均匀,图6不同时刻下圆柱扭转变形和切应力云图图9整个梁模型的弯曲变形和应力分布图10图10中间纯弯曲段梁的弯曲变形和应力分布各类变形的整个过程以及应力的分布情况，可以更 好、更快地把握课程中各力学概念之间的关系；同 时，彩色动画和云图的趣味性可促进学生的学习积 极性，加深学生的记忆和理解，并激发学生扩展课 堂知识的热情，理论联系实际，提高了学生的工程 应用意识和创新性思维意识，提高了教与学的效果。最大值为229 MPa,与理论