廖丹，袁嚴(yán)輝，鄭茂溪

[摘 要] 針對目前材料力學(xué)課程學(xué)時限制無法匹配實驗課程的現(xiàn)狀，根據(jù)數(shù)值模擬的優(yōu)勢，提出將數(shù)值模擬引入實驗教學(xué)，幫助學(xué)生掌握新的技能，以期提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān) 鍵 詞] 材料力學(xué)；實驗教學(xué)；soildworks

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）10-0073-01

一、材料力學(xué)實驗課程現(xiàn)狀

材料力學(xué)是機械專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，在機械設(shè)計人才的培養(yǎng)上具有十分重要的位置。材料力學(xué)實驗課程是材料力學(xué)學(xué)習(xí)中非常重要的一環(huán)。目前很多學(xué)校對材料力學(xué)的課時數(shù)一再地進(jìn)行刪減，從最初的96學(xué)時減為78、56，甚至48學(xué)時。這就導(dǎo)致實驗課時的縮減，甚至取消實驗課程。為了在有限的時間里，讓學(xué)生更加快速清楚地理解材料力學(xué)的基本原理和基本現(xiàn)象，將基礎(chǔ)實驗課程改為數(shù)值模擬實驗課程，利用數(shù)值模擬的時效性和直觀性，讓學(xué)生更快更好地掌握知識。

二、solidworks simulation 模塊

solidworks simulation源于FEA（有限元）軟件COSMOSWorks，simulation模塊將仿真流程無縫融入了機械設(shè)計過程。有限元法是目前應(yīng)用較為廣泛的一種現(xiàn)代計算方法。利用將工程結(jié)構(gòu)離散成各個小單元，對每一個單元假定一個近似解，通過求導(dǎo)求解整個計算域的條件，從而得到最終解[1]。有限元計算不僅計算精度高、操作界面友好，而且能針對各種復(fù)雜形狀。solidworks simulation相較于其他有限元軟件具有操作簡單易上手的特點，便于本科生學(xué)習(xí)。

三、實驗實例

材料力學(xué)課程最大的特點是概念多、公式多、理解難，特別是應(yīng)力分布、各項應(yīng)力狀態(tài)部分。為了滿足應(yīng)用型人才的需求，材料力學(xué)需要改革課程，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和掌握基本理論。

梁彎曲變形實驗是材料力學(xué)實驗中一個至關(guān)重要的實驗項目。現(xiàn)以數(shù)值模擬實驗來測定該矩形截面梁在純彎曲變形中橫截面正應(yīng)力的分布情況。通過solidworks simulation進(jìn)行實驗，得到各點的數(shù)據(jù)，并與材料力學(xué)公式б=■計算結(jié)果進(jìn)行比較[2]。實驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，梁的尺寸為10 mm×20 mm×100 mm，材料為合金鋼。

進(jìn)行有限元分析，首先根據(jù)梁的尺寸在solidworks中建立三維模型，然后進(jìn)入simulation仿真模塊。再根據(jù)實驗條件進(jìn)行約束條件的設(shè)定及載荷的添加，然后運行此算例，得到各點正應(yīng)力的數(shù)值模擬解，如圖2所示。從圖中可以看出在該截面，各點正應(yīng)力呈近似線性變化。

在材料力學(xué)理論課上講解的應(yīng)力分布規(guī)律，對學(xué)生而言很難理解，但利用數(shù)值模擬仿真，可以很直觀地看到梁截面上各點應(yīng)力的分布。如圖3所示，可以看到縱向截面上正應(yīng)力分布云圖，從云圖顏色的變化可以直觀清楚地看到各點正應(yīng)力的大小。從圖中可以看出中性軸上方被壓縮，受壓應(yīng)力最大值為143.5MPa；中性軸下方被拉伸，受拉應(yīng)力最大值為143.5MPa；越靠近中性軸，應(yīng)力越小。這個應(yīng)力分布趨勢跟材料力學(xué)課程理論分析結(jié)果一致，但卻能更加清楚直觀地體現(xiàn)。

四、結(jié)論

本文通過利用solidworks simulation模塊模擬梁的彎曲變形，形象直觀地展現(xiàn)了材料力學(xué)中彎曲變形正應(yīng)力計算公式的含義及中性軸等抽象概念。學(xué)生可以更好地理解，也提高了學(xué)習(xí)興趣，為以后進(jìn)一步進(jìn)行工程實際問題分析打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅永華.有限元分析基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

[2]顧曉勤，譚朝陽.材料力學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.