CAE技术在力学课程教学中的推广应用

摘 要 工程力学系列课程具有较强的理论性和广泛的工程应用性的特点。为了促进学生学习工程力学系列课程的兴趣和提高学生解决工程力学实际问题的能力，应该加强CAE技术在工程力学系列课程教学中的推广应用。

关键词 CAE技术 力学课程 推广应用

中图分类号：G423 文献标识码：A

The CAE Popularization on the Teaching

in Curriculums of Mechanics

HUANG Zhongwen

(Mechanical and Electronical Engineering College,

Wuhan Engineering University, Wuhan, Hubei 430205)

Abstract The series curriculums of engineering mechanics are theoretically developed with engineering application. The CAE techniques popularization ought to be strengthened in curriculums of engineering mechanics, which on the one hand, promotes the students' interest in engineering mechanics courses and on the other hand, enhances students' abilities to settle practical problems of engineering mechanics.

Key words CAE; curriculums of mechanics; popularization

0 前言

当今世界由于经济和科技都在迅速发展，社会中的各行各业特别需要不仅具有一定理论水平的而且具有较强实践应用能力的综合性应用型人才，在工程力学的技术应用方面更是需要这样的复合型人才。

以工程力学基本理论为基础的计算机辅助工程结构分析（CAE）技术是一种结合计算力学、计算数学和计算工程科学理论的最有效的计算方法。CAE技术的工程软件比较多，其中ANSYS软件最为广泛。CAE技术目前已经成为工程结构分析与设计的现代方法，工程技术人员需要学会并掌握这种现代技术。

不断改进工程力学系列课程的教学方式，在力学课程教学过程中推广使用CAE技术的上机训练教学，可以促进学生学习工程力学系列课程的兴趣，最终指导学生学好工程力学系列课程并掌握CAE技术。加强以ANSYS软件为主的CAE技术在工程力学系列课程教学中的推广使用，使工程力学理论与实践应用相互渗透融合，强化培养学生的工程力学实际应用能力是应用型工科本科院校在工程力学系列课程教学中的一项迫切的任务。

1 CAE技术在理论力学教学中的应用

理论力学的静力学理论中会遇到桁架结构的静力分析，在理论力学中手工计算求解桁架结构的方法主要有：结点法、截面法及其联合应用。桁架结构为工程中大跨度结构的一种常用形式。桁架结构是由许多杆件互相铰接形成的体系，若载荷只是作用在结点上时，则桁架结构中的每根杆件都是二力杆，每根杆的内力都主要是轴力，可能为压力也可能为拉力。

采用以ANSYS软件为主的CAE技术可以通过计算机来计算求解各种桁架结构的力学分析。可以让学生采用ANSYS软件计算求解一些简单的桁架结构，得到结果后再与手工计算的理论值进行比较。如图1所示为采用ANSYS软件计算求解出的某一桁架结构受力变形后的轴向应力云图。

2 CAE技术在结构力学教学中的应用

结构力学理论中通常会遇到刚架结构和杆系组合结构的静力分析。刚架结构为常用的一种工程结构，刚架结构是由许多杆件互相刚接形成的体系，各杆件在各横截面上有轴力、剪力和弯矩等内力。杆系组合结构也为一种常用的工程结构，在杆系组合结构中，一部分的杆件为梁式杆，承受轴力、剪力和弯矩的作用；另一部分杆件为二力杆，只承受轴力的作用。

采用以ANSYS软件为主的CAE技术可以通过计算机来求解结构力学中的各种杆系结构。可以让学生采用ANSYS软件计算求解一些简单的刚架结构或者杆系组合结构，得到结果后再与手工计算的理论值进行比较。如图2所示为采用ANSYS软件计算求解出的某一刚架结构承受荷载后的弯矩图。

3 CAE技术在材料力学教学中的应用

材料力学理论中的简支梁、悬臂梁和外伸梁等主要是承受剪力和弯矩作用，拉压杆主要是承受轴力作用，另外弯扭组合变形中的轴类构件是一种典型的实际工程构件，各个横截面上主要是承受剪力、弯矩和扭矩等的共同作用。

采用以ANSYS软件为主的CAE技术可以通过计算机来求解材料力学中的各种轴类构件。对于轴类构件可以采用杆件结构的计算方法，也可以采用空间实体结构的计算方法，采用实体结构的计算方法更加精确，可以让学生采用ANSYS软件分别通过两种方法计算求解出某一轴类构件受力的变形和应力后，再将结果进行相互比较。如图3所示为利用ANSYS软件采用实体结构的计算方法计算求解出的某一传动轴承受荷载后的等效应力云图。

4 CAE技术在弹性力学教学中的应用

弹性力学理论是研究各种形状的固体的实体结构问题，实体结构分析问题含有平面结构问题和空间结构问题两大类。弹性力学的公式和理论都非常复杂，虽然弹性力学研究各种形状固体，但也只能对规则简单形状的物体获得精确解。采用以ANSYS软件为主的CAE技术可以通过计算机来求解弹性力学中的各种结构。可以让学生采用ANSYS软件计算求解一些简单的实体结构，得到结果后再与弹性力学的理论值进行比较。

平面问题的应力分析是弹性力学中的一项主要内容，带孔平板的应力分析是平面问题中的一种典型问题。如图4所示为采用ANSYS软件计算求解出的某一带孔平板受力变形后的等效应力云图。

5 结语

通过上述几个实例分析表明，有必要在各门工程力学系列课程教学中设置相应的上机学时，把计算机辅助工程结构分析即CAE技术引入到工程力学系列课程的教学中来。不仅要求学生掌握工程力学的基本理论，而且还要求重点突出上机教学环节，让学生知道可以通过计算机去完成繁琐复杂的工程力学计算问题，这样能够彻底改变学生在学习工程力学系列课程时感觉到计算公式较繁琐的枯燥无味的状态。

工程力学系列课程具有较强的理论性和广泛的工程应用性的特点，计算机辅助工程结构分析（CAE）技术以ANSYS软件的使用最为广泛。为了促进学生学习工程力学系列课程的兴趣和提高学生解决工程力学实际问题的能力，应该加强以ANSYS软件为主的CAE技术在工程力学系列课程教学中的推广应用。

参考文献

[1] 韦成龙,李学罡.材料力学教学内容改革的研究与实践[J].力学与实践,2002(3).

[2] 黄忠文.培养应用型人才的工程力学系列课程的教学改革[J].教育理论与教学研究,2011(1).

[3] 陈琦,刘儒德.当代教育心理学[M].北京:北京师范大学出版社,2007.

[4] 杨德广.高等教育学[M].北京:高等教育出版社,2009.

[5] 黄忠文,李元松,郑贤中.弹塑性力学有限元法及ANSYS应用[M].武汉:湖北科学技术出版社,2011.