ABAQUS在材料力学教学中的应用展望

孔祥清+翟城+章文娇+曲艳东

摘 要：本文对有限元软件ABAQUS在材料力学课程教学中的应用进行了分析，发现如果能很好地将ABAQUS与材料力学教学相结合，不仅可以将材料力学中抽象理论可视化，而且还能用于模拟材料力学实验，不仅可以激发学生学习力学的兴趣，还可增强学生对工程实际问题的感性认识，为其将来能更好地解决工程实际问题打下扎实的基础。

关键词：材料力学；ABAQUS；数值模拟

一、前言

随着高等教育教学改革的不断深入，传统的材料力学教学体系已暴露出许多不合理的地方，为了适应形势，国内许多工科院校都在材料力学课程体系、教学内容、教学方法等方面开展了卓有成效的研究。当前，计算机技术和现代数值计算方法的发展给材料力学的发展和教育带来了深刻影响。因而在材料力学的教学中，应当体现这种科技发展趋势，在原有的课程体系中融合新的计算技术，引进新的计算工具，从而提高教学质量，加强学生的建模和计算能力，拓宽学生的知识面，培养学生的创新思维。为此，笔者对ABAQUS在材料力学教学中的应用进行了一些探索。

二、ABAQUS有限元技术简介

随着计算机技术的快速发展，数值模拟软件得到了空前的发展。目前比较常用的数值模拟软件是基于有限元原理的ABAQUS、ANSYS、MARC等，这些有限元软件具有强大的前处理及后处理功能，对于模拟基础力学中的实验非常有利，特别是大型通用有限元软件ABAQUS，它是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富、可模拟任意几何形状的单元库，拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。很多高校已经将ABAQUS作为本科生和研究生的必修课程。

三、ABAQUS应用于材料力学教学中的优势

1.将抽象理论可视化

对于工科学生来说，材料力学中的概念较多，并且一些概念比较抽象且容易混淆，如内力、应力、应变、变形、位移、应力状态等，初学者往往难以理解。同时，在诸如梁的平面弯曲应力及变形构件的组合变形等许多章节的教学过程中，需要推导相关的公式，涉及到复杂的几何和数学知识，包含了大量几何要素和空间位置关系，如弯曲梁横截面的应力分布规律、平面弯曲梁的变形、圆轴弯扭组合变形时应力分布规律等。对于这些内容，传统教学方法单纯通过教师口头讲解和板书绘图，不仅浪费时间而且不易于学生理解，导致学生普遍感到材料力学课程理论枯燥、难懂。而ABAQUS具有直观形象的图形显示功能，可将抽象的应力、应变、位移等数据转化为形象生动的图形。在教学过程中借助于ABAQUS软件，将原本抽象的力学理论和枯燥乏味的概念直观化、形象化，通过图形、动画等形式展现在学生面前，这将有助于提高学生的形象思维能力，帮助学生理解教材内容，培养学生分析结构的能力。

2.材料力学实验模拟

材料力学作为一门实践性较强的学科，需要将实验分析和理论研究紧密结合。但是目前材料力学实验教与学的过程中普遍存在重理论轻实验的现象，严重影响了力学课程的教学质量。大多数学校受实验条件及学时压缩等因素的制约，将材料力学实验课的内容进行了很大部分的删减，保留下来的实验项目也大都是演示性实验，通常是七八个学生一组，共用一根试件进行拉伸、压缩、弯曲等实验，在此过程中大部分学生只是被动地完成了实验，而无法真正亲自参与实验，这就限制了对学生的动手能力以及遇到问题时分析问题、思考问题、解决问题的能力的培养。材料力学实验所需要的实验设备价格昂贵，大都为破坏性实验，需耗费大量试件，因此不便于重复进行。另外，还有很多力学过程并不能在实验室演示，如应力集中现象、构件组合变形、压杆失稳等。以上这些问题的出现必然影响材料力学的整体教学水平。

基于以上问题，充分利用ABAQUS的计算和分析优势，将材料力学实验教学与ABAQUS的数值仿真技术结合起来，利用其强大的建模及分析能力，演示力学过程和问题分析过程，尤其是借助于ABAQUS中的后处理模块，能以动画的形式动态显示结构从加载到变形直至破坏的全过程，这相当于将力学实验室搬到了课堂进行现场演示，而且模拟力学实验过程可以重复进行多次，这也是比实际实验优越的一面。学生在重复的过程中对一些现象进行深入的探索、研究，从而启发学生的创新性思维，甚至帮助学生完成目前很多高校力学实验室不能展开的重要力学实验，例如，扭转、压杆稳定等实验。总之，将ABAQUS应用到材料力学实验教学中，是对完善传统实验教学方式的一种尝试。用该数值试验补充常规的物理实验，注重创新探索性，不但有助于学生对力学基础知识的理解，有利于学生创新意识的培养，而且能够在教学过程中启发学生，使理论与实践相结合，达到形式、内容和结果的新颖性。

四、结论

将ABAQUS应用于材料力学教学中，对相关材料力学问题及实验现象进行分析计算，能使学生更容易理解知识，也激发他们的学习兴趣，更为他们今后更进一步深造或走上工作岗位后应用有限元技术解决工程中许多实际问题打下良好的基础。