劉培行 陳愛平 許燦

[摘要]ANSYS是目前結構分析應用最廣泛的軟件，本論文就在機械專業(yè)的材料力學教學中引入該軟件的優(yōu)勢、內容、方法三方面做了論述。

[關鍵詞]材料力學 ANSYS 結構強度

引言

材料力學是機械專業(yè)的學科基礎課，其教學目主要是為了后期專業(yè)課服務。它與機械設計、課程設計、畢業(yè)設計等息息相關。材料力學理論教學內容概念繁雜，定義抽象，學生不好學，老師不好講。尤其是應力狀態(tài)內容經(jīng)常陷入只可意會不可言傳的“微妙境界”。而其相關的課內實驗教學往往以破壞性的驗證性實驗為主，其實驗對應用型的本科生意義不大，而且其成本高，其實驗器材具有不可重復性。在材料力學的教學過程中引入ANSYS軟件可以彌補這些缺點。

一、ANSYS軟件結構分析功介紹

（一）軟件的結構分析處理過程

ANSYS有限元分析分為前處理過程；求解過程；后處理過程。前處理過程就是創(chuàng)建有限元模型；求解過程就是施加載荷并求解；后處理過程就是查看分析結果。ANSYS軟件的CAD/CAE的協(xié)同環(huán)境AWE（ANSYS Workbench Environment）可直接讀入各類繪圖軟件的零件模型。當然也可從ANSYS軟件中直接建模。比如說汽車車架，車架的結構較為復雜，則可用CAD建模導入ANSYS中。對于前處理過程中關鍵性的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分是比較繁瑣費時的，對于缺乏經(jīng)驗的人來說很難準確完成，而其劃分的準確性對求解過程會有很大的影響。ANSYS的網(wǎng)格劃分是比較智能化的，對于學生們來說可以很好的彌補經(jīng)驗不足這一缺點。在分析求解過程中使用有限元方法進行分析求解時可先對一些條件進行假設，然后再引入已知的約束條件，來模擬實際的邊界條件。通過計算車架在無阻尼狀態(tài)下的固有頻率和振形可分析其共振環(huán)境和頻率。通用后處理器則可以把結果數(shù)據(jù)映射到任意路徑上，可以觀察某項結果數(shù)據(jù)沿路徑的變化情況。

（二）軟件結構分析內容

ANSYS軟件中的結構靜力分析很適合用于處于穩(wěn)定外載荷引起的系統(tǒng)的應力應變。靜力分析可以分析穩(wěn)定的慣性力和隨時間穩(wěn)定變化的靜載荷，比如說金屬錨桿靜力分析，首先利用ANSYS軟件建立錨桿的原始模型，有原始模型推建幾何模型，運用有限元分析可得出元件基本上都是從桿體部位斷裂，想要提高錨桿的使用壽命，則需從桿體部位入手。運用ANSYS平臺進行結構分析不僅有其實用價值，在教學中更能體現(xiàn)出其理論價值。

二、材料力學教學與ANSYS軟件相結合

（一）材料力學教學與軟件結合教學模式實施方案

對于應用型本科教學而言，可將傳統(tǒng)的64（理論課時）+8（實驗課時）改成50（理論課時）+22（軟件教學）。對應用型本科材料力學中的實驗全部用軟件教學代替，再將理論教學中的一部分（公式推導、演示部分）學時也用于該軟件的教學。當然，該軟件在相關刪掉的理論教學方面完全有替代作用，且其效果較傳統(tǒng)教學模式好。

（二）實驗教學內容用ANSYS軟件的相關教學代替

傳統(tǒng)的材料力學實驗一般都是拉壓、扭轉變形的應力公式驗證，這些實驗大多為驗證破壞性實驗。而我校屬于三本院校，培養(yǎng)出來的本科生以應用型為主。這些驗證性實驗對大部分本科生都沒有什么實質性的意義。且這些實驗對其公式的應用也并無益處，其破壞形式也很難從實驗中觀測出來。在引入ANSYS軟件教學后，可利用其后處理模塊動態(tài)演示實驗過程，另外很重要的一點就是與實驗室破壞性實驗不同，ANSYS可重復多次演示實驗過程，可大大節(jié)約實驗材料，并加深學生們的理解。

（三）理論教學引入ANSYS軟件

下面就在材料力學教學過程中那些內容要引入軟件教學進行論述。

1.拉壓扭轉變形

通過ANSYS軟件建造構件的拉壓扭轉變形模型。比如：圓形截面桿件的扭轉變形，通過圖例可以很好的看出圓形截面桿件扭轉時各截面仍為平面。通過這種圖例可直觀簡潔的看出桿件發(fā)生的變形，可以很好地幫助學生理解扭轉變形，還可以節(jié)約教師課堂教學時間，提高教學效率。

2.壓桿穩(wěn)定

通過建立有限元分析，可使學生更容易理解用ANSYS軟件的分析過程，在求解過程中，首先應當進行靜力分析，得出靜力解。再做特征值屈曲分析。ANSYS中有兩種分析方法：線性（特征值）和非線性屈曲分析。其中線性屈曲分析與教材中的彈性屈曲分析方法類似，結果與歐拉解相同。屈曲過程的結果在結果文件中，文件中包含屈曲載荷系數(shù)、模態(tài)形狀、相對應力分布等等。其結果與教材中的理論結果相吻合，這樣就加深了學生對壓桿失穩(wěn)的理解。

3.組合變形

ANSYS強大的非線性分析能力可以有效的解決各類組合變形問題，例如：矩形截面梁的彎扭組合變形屬于典型的幾何非線性問題，這就需要用有限變形理論來解決。首先，可用ANSYS對矩形截面梁所受載荷的變形程度進行分析，將分析結果與實驗結果進行對比，發(fā)現(xiàn)結果相差無幾，由此可以看出，ANSYS完全可以模擬彎扭組合變形問題。這樣不但節(jié)約了時間，而且更加方便學生理解掌握。

4.應力狀態(tài)分析

通過有限元分析可以得出零件結構的工作特性。比如說應力集中問題。教材中一般只對影響因素進行說明，并未對影響后的結果做具體說明，以至于學生對于應力集中得不到更多了解與認識。教師可利用ANSYS軟件對應力集中計算并分析其結果，即可幫助學生對其分析計算有更感性的理解。這樣既可以幫助同學們系統(tǒng)的理解應力狀態(tài)分布知識也有助于培養(yǎng)學生們的創(chuàng)新能力。

（四）教學效果

我校對材料力學這門課程在2010級機械專業(yè)試行這種教學模式。現(xiàn)在該年級學生已經(jīng)快畢業(yè)。證明該年級的學生在后期的專業(yè)課中對于強度分析校核的應用的理解明顯優(yōu)于其他年級的。通過調研發(fā)現(xiàn)，在學生找工作的過程中，有ANSYS軟件應用能力的學生更受歡迎。

三、結束語

ANSYS軟件不但能夠豐富理論教學內容，提升學生對于材料力學的興趣，加深學生們對于教材理論認識，將其與課堂內容教學結合起來，可以有效地解決課堂中所遇到的一些疑難問題，拓寬學生們的知識面，熟悉所學的知識在實際工程當中的應用，為以后機械設計等專業(yè)課的學習打下基礎。而且還可以培養(yǎng)學生們應用計算機的能力，促進學生掌握一門實用性很強的應用軟件。這對于應用型本科人才的培養(yǎng)至關重要。

武昌工學院校級教學研究項目：（課題編號2012JY01）

課題名稱：“實踐+應用軟件+理論”三結合模式課程體系的構建研究

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（作者單位：武昌工學院 機械工程學院 湖北武漢）