基于solidworks的材料力学实验教学改革探索①

廖丹，袁严辉，郑茂溪

[摘 要] 针对目前材料力学课程学时限制无法匹配实验课程的现状，根据数值模拟的优势，提出将数值模拟引入实验教学，帮助学生掌握新的技能，以期提高实验教学质量。

[关 键 词] 材料力学；实验教学；soildworks

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）10-0073-01

一、材料力学实验课程现状

材料力学是机械专业的基础核心课程，在机械设计人才的培养上具有十分重要的位置。材料力学实验课程是材料力学学习中非常重要的一环。目前很多学校对材料力学的课时数一再地进行删减，从最初的96学时减为78、56，甚至48学时。这就导致实验课时的缩减，甚至取消实验课程。为了在有限的时间里，让学生更加快速清楚地理解材料力学的基本原理和基本现象，将基础实验课程改为数值模拟实验课程，利用数值模拟的时效性和直观性，让学生更快更好地掌握知识。

二、solidworks simulation 模块

solidworks simulation源于FEA（有限元）软件COSMOSWorks，simulation模块将仿真流程无缝融入了机械设计过程。有限元法是目前应用较为广泛的一种现代计算方法。利用将工程结构离散成各个小单元，对每一个单元假定一个近似解，通过求导求解整个计算域的条件，从而得到最终解[1]。有限元计算不仅计算精度高、操作界面友好，而且能针对各种复杂形状。solidworks simulation相较于其他有限元软件具有操作简单易上手的特点，便于本科生学习。

三、实验实例

材料力学课程最大的特点是概念多、公式多、理解难，特别是应力分布、各项应力状态部分。为了满足应用型人才的需求，材料力学需要改革课程，帮助学生更好地学习和掌握基本理论。

梁弯曲变形实验是材料力学实验中一个至关重要的实验项目。现以数值模拟实验来测定该矩形截面梁在纯弯曲变形中横截面正应力的分布情况。通过solidworks simulation进行实验，得到各点的数据，并与材料力学公式б=■计算结果进行比较[2]。实验模型如图1所示，梁的尺寸为10 mm×20 mm×100 mm，材料为合金钢。

进行有限元分析，首先根据梁的尺寸在solidworks中建立三维模型，然后进入simulation仿真模块。再根据实验条件进行约束条件的设定及载荷的添加，然后运行此算例，得到各点正应力的数值模拟解，如图2所示。从图中可以看出在该截面，各点正应力呈近似线性变化。

在材料力学理论课上讲解的应力分布规律，对学生而言很难理解，但利用数值模拟仿真，可以很直观地看到梁截面上各点应力的分布。如图3所示，可以看到纵向截面上正应力分布云图，从云图颜色的变化可以直观清楚地看到各点正应力的大小。从图中可以看出中性轴上方被压缩，受压应力最大值为143.5MPa；中性轴下方被拉伸，受拉应力最大值为143.5MPa；越靠近中性轴，应力越小。这个应力分布趨势跟材料力学课程理论分析结果一致，但却能更加清楚直观地体现。

四、结论

本文通过利用solidworks simulation模块模拟梁的弯曲变形，形象直观地展现了材料力学中弯曲变形正应力计算公式的含义及中性轴等抽象概念。学生可以更好地理解，也提高了学习兴趣，为以后进一步进行工程实际问题分析打下了基础。

参考文献：

[1]傅永华.有限元分析基础[M].武汉：武汉大学出版社，2003.

[2]顾晓勤，谭朝阳.材料力学[M].北京：机械工业出版社，2011.