基于C#、Python语言和MSC.Marc在直梁纯弯曲教学中的应用

【摘要】针对机械工程专业学生学习材料力学直梁弯曲过程中遇到的理解难点问题，基于Python语言和MSC.Marc软件编制了直梁尺寸、单元划分和载荷施加的参数化程序，再借助C#强大的编程和调用能力启动Marc及该程序，自动提交和运算完成后，学生可以提取多种直观计算结果，为学生加深理解直梁弯曲变形理论提供了参数化和可视化计算工具。

【关键词】Python Marc 材料力学 教学

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）12-0016-01

前言

直梁类零部件受载荷而发生变形的情况在实际工程中很常见，例如，桥梁在自重和车辆作用下会发生变形、钢架结构房屋的型材骨架在屋顶重力和自然风载等条件下也会发生变形。作为一名本科生，应当首先熟练掌握直梁弯曲变形的规律，以便今后在工程实践中能安全设计满足条件的梁的结构[1]？鄄[2]。梁的弯曲变形章节内容较多，如何在推导理论模型前就建立对梁的弯曲变形的建立直观和感性的认识是学好本章的基础。随着商业有限元的日益成熟和计算机硬件技术的发展，越来越多的研究借助它进行灵活的前处理，使模拟过程更接近实际工况，得到了内容丰富和可视化程度高的结果[3]？鄄[6]。本文借助Python与MSC.Marc有限元软件良好的交互性编制直梁参数化建模、划分网格、加载和提交运算的程序，然后基于C#编制操作界面，计算完成之后自动读取结果以便学生观察直梁的变形过程，从而达到加深理解的目的。

1.Python语言和Marc交互参数化建模

Python编程语言是一种解释性、交互式和面向对象的功能强大的网络服务器端脚本语言，与其它脚本语言一样，Python代码类似于伪代码，同时还是一种交互式、可移植、易于学习、方便使用的严谨语言，它提供动态语义和快速的原型开发能力，适合用作连接已有组件的粘合语言。同时它可用于独立的程序，也可用于脚本程序。

为了让学生直观认识大跨度梁和小跨度梁的弯曲形态，需要将梁的长度和宽度设为参数化变量，此外，弯矩的大小及梁被划分的网格大小均由用户自己输入。面对这几个参数的多样性，利用Python和Marc的良好交互性特点编写直梁建模和网格划分的参数化程序。Python程序以from py_mentat import *打头，调用MSC.Marc的py_mentat模块，主程序以def main（ ）：开头，主程序下面是原始参数输入，例如弯矩大小M，跨度L，梁高H、单元宽s1和单元长s2，子程序名称依次列出，且子程序按照顺序写在主程序的上方。整个程序需要用pysend将命令送到MSC.Mentat执行。

利用C#语言编制如图1所示交互式界面，学生可以通过输入弯矩的大小、梁的尺寸及网格划分的大小就可点击提交运算，后台程序将界面上的参数传给上述程序，然后调用MSC.Marc进行参数化建模与仿真，计算完成后，点击查看结果可以直观查看仿真结果。

2.可视化结果显示与分析

当梁的输入参数的长度与高度的比值比较小，则直梁的外形如图2（a）所示，划分出来的网格大小由学生自由控制，如果加的弯矩为M，则计算完成后的弯曲形态如图2（b）所示，如果增加一倍弯矩，则弯曲形态继续加大，如图2（c）所示；同时，学生还可以通过查看最终的直梁弯曲变形曲线，并将其与材料力学中的经典公式进行对比验证。

结论

基于Python语言和MSC.Marc软件良好的交互性编制的参数化程序可以灵活处理直梁的尺寸、单元大小和载荷施加方式，同时利用C#强大的编程和调用能力启动Marc及其参数化程序，方便学生在学习材料力学直梁弯曲理论中加深对梁的弯曲变形规律的理解和认识。

参考文献：

[1]姚月焕.直梁弯曲的教学方法探讨[J].中等职业教育，2006（24）：43-44.

[2]李萍.直梁纯弯曲实验的教学改革[J].洛阳理工学院学报：自然科学版，2013， 3（1）：91-93.

[3]罗霄，任勇，山秀明.基于Python的混合语言编程及其实现[J].计算机应用与软件， 2004，21（12）：17-18.

[4]狄博，王晓丹.基于Python语言的面向对象程序设计课程教学[J].计算机工程与科学，2014，36（A01）：122-125.

[5]甘辉.基于MARC的板料冲压成形过程有限元模拟研究[J].机械制造与自动化，2009，38（1）：48-50.

[6]赵毅，马捷.利用Python和GTK+的Linux GUI应用的快速开发[J].计算机工程，2004，30（8）：80-82.

作者简介：

刘志芳（1984.6-），男，汉族，湖北黄冈人，博士，重庆理工大学，讲师，研究方向为机械设计与制造。