基于数值模拟的材料力学教学改革探索

【摘要】本文基于材料力学课程的学习难点的基础上，借助solidworks软件中simulation插件将数值模拟引入教学中。利用数值模拟的直观性帮助学生学习并掌握材料力学的理论知识，同时提高学生进行力学分析的技能，为以后工作奠定基础。

【关键词】材料力学 solidworks 教学方法

【基金项目】校内教研教改项目（项目编号：JY201707）。

【中图分类号】G42 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）32-0236-02

材料力学对于机械专业的学生来说，是一门非常重要的专业基础课程，涵盖了几种基本变形的强度刚度及稳定性问题，为后续机械设计等专业课程奠定了基础。材料力学知识相比其他课程而言，需要一定的想象能力及与实际工程相结合的能力。这要求学生能充分地理解变形、应力、应变的概念。

目前，学生在材料力学学习的过程中，对三维强度分析及复杂应力状态部分的理解存在很大的问题。导致学生在这部分课程的学习中，听不懂，学不会，继而失去兴趣。为了帮助学生更好更主动地去学习，将数值模拟方法引入材料力学课堂。数值模拟的引入，能够增加学生学习的兴趣，帮助学生直观地掌握和理解材料力学中的基本知识。

一、数值模拟簡介

目前，“中国制造2025”的提出就要求研发型的制造企业将系统仿真数值模拟提高到战略目标的高度，并结合系统工程和企业运营要求，形成规范的产品研发体系。为了对仿真技术有一定的规范和要求，国家已经出版国标GB/T33582-2017《机械产品结构有限元力学分析通用规则》，这一标准适用于机械产品结构的有限元力学分析[1]。因此，数值模拟对于高校学生来说非常重要，不仅能够从本质上熟悉设计过程、直观地理解基本原理，还可以为以后进行设计研发工作做好铺垫[2]。

市面上，数值模拟软件很多，包括ansys， abaqus， soildworks， proe等。其中ansys，abaqus等专业仿真软件虽然功能更强大但不易上手，solidworks simulation是solidworks软件的一个插件，操作简单易于上手。而且该插件是基于：（1）材料是线性，（2）小变形，（3）静态载荷三种假设，满足材料力学的要求。因此选择solidworks simulation进行课堂演示和实验练习。

二、数值模拟在理论课中的应用

在材料力学理论课上，主要采用PPT讲授一些基本概念和例题。学生在学习的过程中觉得非常枯燥，且难以理解。引入数值模拟部分，会更加直观地展示给学生各种现象及应力应变的分布，帮助学生理解。

1.解释基本变形

材料力学主要介绍拉压、剪切、扭转、弯曲四种基本变形的强度刚度及细长压杆的稳定性问题。特别细长压杆稳定性问题，学生一直难以真正掌握，很容易与压缩强度问题混淆。图分别用细长杆和短粗杆做屈曲分析。从图1中可看出，在同样的横截面情况下，杆长为400mm的细长杆的临界载荷为25.4kN，而杆长为40mm的短粗杆临界载荷为2250kN，相差近100倍。

2.再现物理实验

由于课时有限，材料扭转实验等基本实验无法开展。学生仅靠自己的想象能力无法充分地理解整个过程。数值模拟可以帮助学生充分理解掌握这些实验现象。从图2可以看出，在扭转变形时，轴的边缘应力大，而在轴线附近应力很小趋近于0。

3.解释现象

圣维南定理是弹性力学的基础，它指出了力作用于杆端的分布方式，只影响杆端局部范围内的应力分布，影响区域的轴向范围为1～2个杆端的横向尺寸，其他区域仅可视为均匀的[3]。在课程讲解中，只能说影响区域范围内的应力分布非常复杂，复杂的程度却难以说清。利用soildworks软件进行数值模拟分析能直观形象地以图形的形式展示给同学，便于理解。

三、总结

将数值模拟引入材料力学教学中，可以利用数值模拟软件的图形显示的直观性，提高学生学习的兴趣、让学生更加深入地理解和掌握材料力学的基本知识。并且让学生开阔了眼界，了解了解决力学问题的一种新方法，为学生以后的工作就业奠定了基础。

参考文献：

[1]GB/T 33582-2017，机械产品结构有限元力学分析通用规则[S].

[2]傅永华.有限元分析基础[M].武汉：武汉大学出版社、全国优秀出版社，2003.

[3]顾晓勤，谭朝阳.材料力学[M].北京：机械工业出版社，2011.

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