UG软件在高职高专工程力学课程教学中的应用

摘 要 工程力学是高职高专工科专业学生的一门专业基础课程，存在课程理论性强、工程实践要求高、学生学习兴趣不足等问题，将工程应用广泛的UG软件在工程力学教学中加以应用，可以提高课堂教学的直观性、效率和信息化水平，同时培养学生应用工程力学知识和工程软件解决实际问题的能力。从选择适于应用UG软件辅助教学的工程力学知识点入手，举例说明应用UG软件辅助工程力学教学的操作方法，并且指出课堂教学安排上的注意点。

关键词 UG软件；高职高专；工程力学

中图分类号：G712 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）22-0045-03

Application of UG Software in Engineering Mechanics Course Teaching in Higher Vocational Colleges//DAI Youhua

Abstract Engineering mechanics is a professional basic course for

engineering students in Higher Vocational colleges， But there are

many problems such as strong curriculum theory， high engineering

practice requirements and lack of students interest in learning. App-lying widely used UG software in engineering mechanics teaching， can improve the intuitionistic， efficiency and informatization level of engineering mechanics teaching. At the same time， it can cultivate the students ability to apply engineering mechanics knowledge and

engineering software to solve practical problems. Firstly， this paper

selects the engineering mechanics knowledge points which are sui-table for the application of UG software teaching. Then， it illustrates the operation method of using UG software to assist engineering mechanics teaching. Finally， it points out the points of attention in classroom teaching arrangement.

Key words UG software； higher vocational college； engineering mechanics

1 前言

工程力學课程在高职高专院校机械、建筑等专业作为专业基础课程开设，在培养学生受力分析、结构强度设计等能力上起着重要作用。同时，这门课知识的掌握情况直接影响后续专业课程学习[1]，以及在工作中应用工程软件和力学知识解决实际问题的能力。因此，有必要进行引入工程软件在工程力学课程教学中应用的教学改革。

2 工程力学教学中存在的问题及其原因

理论计算能力弱 工程力学中有大量的受力平衡计算和应力计算，通过计算得出强度是否满足等。然而，当前高职高专学生有的来源于提前自主招生和对口单招，有一部分通过高考录取，另外有不少工科专业学生在高中时学的文科，在数学计算方面能力都比较弱。这就制约了工程力学课程的教学效果，任课教师往往采取讲清楚要求解什么和求解思路，只求解一些简单的计算问题，放弃那些稍有复杂度的计算问题的策略。这符合针对学生情况采取“理论够用为度”的高职高专教学原则，但仍需探索更好的解决办法。

动态过程思维弱 工程力学中材料受力变形到破坏是有一个过程的，对这个过程的分析能找到材料将如何破坏、哪里首先破坏，从而优化对材料结构上的设计。由于学生见过的工程案例少，只通过教师的口头描述，只能对一些简单的受力变形情况进行动态过程思考，对于较为复杂的受力变形过程就难以想象其过程。这就需要有直观反映受力变形的图片或视频资料，帮助学生提高对受力变形过程的动态思考能力。

实验条件不够全 高职高专院校开设的工程力学课程一般在40～120学时不等，而对于拉力试验机、压力试验机、扭转试验机等通用实验设备一般是有的，但还有很多专业方向的力学实验设备购置的多少，就差别较大。通过实验教学，可以让学生深刻理解不同材料的各种性能，而对于缺乏实验条件的情况，可以通过软件模拟的办法做一些弥补。

3 UG软件的应用对工程力学教学的辅助作用

UG软件是一个集成化的CAD/CAE/CAM系统软件，可以对产品进行设计、工程分析、数控程序编制等，在机械、航空、汽车、船舶、电子等工业领域有着广泛应用[2]。UG软件的三维建模功能和有限元分析功能可以为工程力学教学提供帮助。

提高讲课的直观性和效率 在工程力学讲课过程中，遇到计算较为复杂的例题或是不方便去做实验时，可以通过事先在UG软件里制作好的模型，进行力学问题求解，并以动画、图片、微课等形式展现出来。可以让学生直观地看到其受力变形情况，并且这个演示过程所花的时间也不多。对于做过一些工程力学实验的学生来说，就更能理解UG软件里呈现的受力变形等分析内容。endprint

拓宽演示各种案例的能力 通过工程力学实验来深刻掌握的案例毕竟是不多的。如果需要直观演示工程力学中的其他案例或者是来源于实际生产、研发中的案例，教师就可以事先通过UG软件来制作，在课上使用即可。只要多花工夫制作案例，案例的数量和内容都不再受到实验条件的限制。

激发学习专业课程的兴趣 高职高专教育是以就业为导向的，学生对职业技能的掌握和解决问题能力的学习更感兴趣。原本在工程力学课程的学习过程中，理论的讲解和大量的计算都容易使学生觉得这门课程难学，但是在教师演示用UG软件求解工程力学问题后，学生会发现计算的事情可以交给计算机去做，懂得工程力学知识和UG软件的使用，就可以快速地解决实际的工程问题。逐渐地，学生会认识到学习工程力学课程有用，并且可以不是那么难学，进而对工程力学课程以及后续的专业课程的学习产生浓厚的兴趣。

4 适于应用UG软件辅助工程力学教学的知识点

工程力学包含理论力学和材料力学两部分。理论力学中的静力学主要是受力平衡问题，一般是只讲平面力系且杆件较少的情况，计算量不大，不需要也不适合通过UG软件辅助讲解；而运动学部分和动力学部分，多数开设工程力学课程的专业都不讲这部分内容，如果讲动力学部分，也可以通过UG软件辅助讲解。材料力学中的拉伸、压缩、剪切、挤压、扭转、弯曲等变形问题的分析，都适合通过UG软件辅助讲解。另外，引入实际生产、教师科研中的案例讲解时，大多适合通过UG软件辅助讲解。工程力学中适合通过UG软件辅助讲解的知识点的具体情况见表1。

5 应用UG软件辅助工程力学教学的操作方法

使用UG软件讲解工程力学问题的方法 选取工程力学课程中需要通过UG软件辅助講解的案例，教师事先在UG软件的三维建模环境下创建好案例的模型，然后切换到高级仿真环境，做好案例的力学分析；再通过截图制作图片资料，或者通过录屏软件制作力学分析动画；最后，通过制作PPT或微课等，将应用UG软件辅助分析工程力学问题的案例制作成讲课资料。

在上课时，教师在需要用到辅助案例时，可以对照PPT上的例子一边讲解一边让学生看图，伴随讲解的过程逐步给出分析结果的图，并做必要的解释；或者可以播放一段微课，结束后与学生进行交流讨论；有时也可以打开UG软

件，实时对准备好的分析模型做一些查看分析结果的操作。

应用UG软件制作工程力学教学案例的例子 如应力集中问题是工程力学中一个重要知识点，是讲解受力构件由于几何形状、外形尺寸的突变而引起局部范围内应力急剧增大的现象，对工程结构设计有重要的指导作用。但是仅仅作一些理论讲解，学生对应力集中的感性认识会不太深刻[3]，因此可以通过UG软件制作一个应力集中问题的分析案例来辅助讲解。

如果一块长度160 mm、高度380 mm、厚度20 mm的钢板，中间位置有一个直径40 mm的通孔，当钢板下部固定、上部受到10 N/mm的均布载荷，弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3，不计钢板自重，要分析钢板受拉时的应力集中问题。

首先，用UG软件创建此钢板的三维模型，如图1（a）所示；进入UG软件的高级仿真模块，新建FEM文件，设置材料属性为“steel”，并指派给钢板模型；对模型按“10节点四面体单元”、自动计算单元格大小的方式进行网格划分，如图1（b）所示；新建sim文件，设置钢板下平面为固定端，如图1（c）所示；设置钢板上平表面上受到法向朝外的均布载荷，如图1（d）所示；经过模型检查后，进行分析解算；最后，通过对求解结果的查看，钢板在竖直方向变形的位移云图如图1（e）所示，钢板内部应力分布的应力云图如图1（f）所示。通过UG软件对应力集中问题的分析，可以让学生直观地看出钢板中小孔附近区域受到的应力明显增大。

又如指导学生做过的一个实践创新项目，要设计一台手扶式茶树修剪机[4]，在整机结构设计时进行了结构强度的分析优化，在之后的工程力学教学中可以简述给学生听。手扶式茶树修剪机采用汽油发动机作动力源，动力被分配传递给驱动轮以及两个修剪刀具，修剪刀具布置在机身两侧，当刀具都处于竖直或水平位置时，就可以修剪过道两侧茶树、垄上茶树的侧面或上平面。

在茶树修剪机工作时，受到树枝的阻力，对修剪机的主要工作部件进行UG有限元分析，如图2所示，根据分析结果就可以优化修剪机的结构尺寸。

6 在工程力学教学中应用UG软件时的注意点

以讲解工程力学知识为主 在工程力学课程教学过程中要坚持以讲解工程力学知识为主，能够通过理论讲解、实验教学等形式让学生掌握的知识点，就要坚持采用原先的方法讲解。在确有必要通过UG软件来辅助讲解时，一定要在课前做好充分的资源制作工作，并进行信息化教学设计，让通过UG软件来辅助讲解的内容有机地结合到工程力学的课程教学安排中来。不要因为通过UG软件进行力学问题分析的案例多，就过多地讲解UG力学分析内容。

尽量减少操作UG软件的时间 课堂教学的时间有限，要珍惜课堂时间，合理地安排教学活动。在使用UG软件讲解工程力学问题时，是为了直观、高效地讲清楚工程力学知识，而不是讲解UG软件的应用，所以要通过事先的准备工作，减少在课堂上对UG软件进行操作。另外，UG软件的学习是有很多内容的，对于低年级的学生来说，突然地讲UG软件的力学分析操作应用，会有难度和引起思维混乱。故在课堂上，教师重在利用UG软件来展现对工程力学问题的分析结果，加深学生对工程力学知识的理解。

7 结论

将UG软件的力学分析功能应用到辅助工程力学课程的讲解中去，有助于解决当前工程力学教学理论性强、课时紧、实验不够多的问题。通过优选适合UG软件辅助工程力学教学的知识点，精心制作大量的UG力学分析资源，可以激发学生对工程力学课程的学习兴趣，增强学习效果，提高工程力学课程的信息化教学水平，并可为后续专业课程的学习做好引导，提高学生利用工程力学知识和先进工具软件解决实际工程问题的能力。

参考文献

[1]李丽君，许英姿.CAE软件在力学教学与实践中的应用[J].实验技术与管理，2010（10）：113-115.

[2]胡仁喜，刘昌丽，等.UG NX9.0动力学与有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2014.

[3]李顺才，王学峰，杨闯.ANSYS软件在材料力学教学中的应用研究[J].淮北职业技术学院学报，2010（1）：65-66.

[4]戴有华，段元帅.基于UG的手扶式茶树修剪机的虚拟样机设计与分析[J].安徽农业科学，2016（32）：197-199.endprint