基于ADINA的工程力学实验改革

华珍 王天锡 张绪贞 马驰骋

摘 要：工程力学实验教学部分是整个课程教学中重要的组成部分，其在整个课程中不仅起到了对理论知识的疏导理解作用更重要的对学生实际应用能力，问题分析以及创新能力的培养。传统方式的实验模式所能达到的教学效果已经难以满足现如今社会的人才能力需求。文章通过运用有限元分析软件ADINA来与传统实验模式结合借此来达到解决传统模式的困境并对新的实验教学模式进行探索。

关键词：工程力学；ADINA；实验教学模式；探索

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）02-0141-04

Abstract： The experimental teaching of engineering mechanics is an important part of the whole course teaching. It not only plays an important role in the understanding of theoretical knowledge， but also is more important to the practical application ability of the students， the analysis of problems and the cultivation of innovation ability in the whole course. The traditional teaching mode cannot meet the needs of talents in today's society. This paper uses the finite element analysis software ADINA to combine the traditional experimental model to solve the dilemma of the traditional model and explore the new model of experimental teaching.

Keywords： Engineering mechanics； ADINA； experimental teaching mode； explore

一、概述

眾所周知《工程力学》[1]是工科类学生的一门专业基础课，课程内容实践性强，是今后工作中解决工程实践问题的理论基础，同学们在学习过程中感到理论性强、抽象、知识点难以理解，对于要求学习并掌握本门课程的广大学生而言存在着不小的难度，故高校对《工程力学》授课分为理论教学和实验教学两部分，旨在让学生通过实验课程加强学生对于理论课程所学知识的理解以及掌握程度，同时培养学生将理论知识付诸实践的实际工程问题解决能力。

山东理工大学是以理工为主的多学科性大学，设置工程力学课程的专业多，每年大约有1000名同学选择这门课程，由于学校实验设备资源有限，因此不能惠及每位同学，影响了教学效果，难以满足培养目标要求，教学质量得不到保证。而当今社会需求的人才要具备创新精神、能够独立解决工程实际问题能力，所以现行的培养条件跟不上社会的发展要求，这就需要我们亟待进行教学改革，增强实践教学锻炼机会，改进现行的实践教学手段，以满足社会对工程技术人才的需求。文献[2-4]将实验教学版块一部分应用现有成熟的有限元软件来进行辅助教学，来解决现在教学困境所面临的诸多问题并取得了一定的成效。

有限元软件ADINA具有材料力学性能的仿真模拟功能，只要在具有计算机的任何地方都可以实现力学问题中的拉压、扭转和弯曲等性能的实验模拟，因此本文的目的是通过此手段对传统的工程力学实验教学模式进行改革，弥补设备少学生多的问题，同时可以锻炼学生自主进行实验设计、提升学生分析解决工程实际问题的能力。

二、软件ADIAN[5，6]概述

ADINA软件是现如今有限元分析软件市场中较为成熟一款软件。ADINA除了解决线性问题之外亦有解决非线性问题的功能，不仅可以分析解决一般的固体与流体结构，对于较为复杂的结构与设计结构场之外的多场耦合问题也同样适用。ADINA针对教育领域发布了900-nodes的免费版本，同学们通过邮箱注册即可免费获得软件和使用许可。完全满足工程力学的教学辅助和简单的结构结算。并且，ADIAN相较于其他有限元分析软件对于电脑硬件的要求较为简易，例如：ANSYS18.0仅安装包已经超过了9G，ABAQUS6.13和NASTRAN都超过了3G，并且这三款软件安装步骤多，耗时长。相较之下ADINA软件免费版本的安装文件大小约为160M，且安装步骤简易，相比之下ADINA软件的便捷性凸显而出。正是因为ADINA软件的便捷性，让其得以广泛应用，所以对于这款软件的初学者便可轻易通过诸多渠道得到软件的相关教程以及应用实例，使软件的学习有迹可循从而轻易上手。

三、基于ADIAN在《工程力学》实验中应用

根据《工程力学》课程标准分别设置的实验为：

1. 低碳钢拉伸和铸铁拉伸与压缩实验；

2. 低碳钢和铸铁的扭转实验；

3. 纯弯曲梁正应力电测实验。

本文便通过ADINA软件来对这三个实验进行模拟，并对模拟结果与传统实验结果进行比较。

1. 低碳钢拉伸和铸铁拉伸与压缩实验

本实验主要针对了材料力学知识版块，任何材料都有其力学性能。低碳钢拉伸和铸铁拉伸与压缩实验便是对低碳钢以及铸铁进行力学性能探究。通过仪器对两种不同材料进行施加载荷，观察在不断施加载荷过程中试件的变化情况并通过计算机的到实验数据。

实验仪器设备：微机控制电子万能实验机（型号：WDW3100），表1为拉伸实验试件原始尺寸，表2为拉伸实验数据记录。

经过实验仪器不断施加载荷之后，计算机记录下一系列有关实验数据，并且伴随着实验数据的改变不同性质的试件也在不同的阶段发生着变化：低碳钢为塑性材料，所以在试件不断施加载荷的过程中还出现不同的阶段，如图1所示，图像的变化大致分为四部分：弹性阶段，屈服阶段，强化阶段以及局部变形阶段。由记录的数据可知，当所施加的载荷到达28260N时，试件进入到屈服阶段，当施加载荷到达41503.33N时试件发生断裂。

运用有限元分析软件ADINA进行实验模拟，其软件的中心思想便是将问题逐渐分解来进行求解，也同样表现在软件运用方面。当使用软件ADINA来对实验试件进行建模时，便是一步步将试件解析的过程，从最开始依据试件的数据尺寸来进行建模到材料定义以及最后边界条件的设置和施加载荷，其整个流程就如图2所示，一步步地对整个实验来进行深度的解析。图3 ADINA试件拉伸模拟图，图4ADINA试件压缩模拟图。

2. 低碳钢和铸铁的扭转实验

表3为扭转实验试件原始尺寸，表4为扭转实验数据处理结果，图5为ADINA试件扭转模拟图。

3. 纯弯曲梁正应力电测实验

表5为弯曲正应力实验应变片布片位置，图6为ADINA纯弯曲梁正应力模拟图。

由表6可见，实测值与仿真模拟值数值误差较小，基本吻合。从图1至图6的实验仿真图中，通过ADINA对各实验的模拟，可以形象地看出实验试件受力之后的变化情况。例如，在扭转实验中，软件通过构建模型网格，将模型的受力通过网格的变化形象表现出来。软件实验的模拟，将其与工程力学课程教学有机结合起来，既发挥了计算机的数值计算功能，又与直观的图形显示功能相结合，使得学生更易于理解和掌握所授课程的抽象力学概念，培养了学生的兴趣，提升了学生的形象思维能力，拓宽了学生的视野，提高了教学质量和效率，同时有助于学生运用软件进行实际工程实例分析，在一定程度上可以使学生理论联系实际，为以后的工作打下坚实的基础。

四、结束语

《工程力学》是一门应用性极强的理工科基础学科，但因其理论知识的抽象性对于要求掌握的广大学生而言是具备一定难度，所以在其教学模式上就要采取与实际相结合的实验教学来进行。本文通过运用有限元分析软件ADINA来进行三个基础力学实验模拟，并且将软件所得的结果与传统方式所得的结果相比较，在同时以两种不同的方式来进行实验所得到结果相同的情况下，发现在运用软件进行实验模拟的过程中会有着传统实验方式所不具备的优点：

1. 运用软件ADINA对整个实验的模拟过程中既是对实验逐步解析的过程，这样的过程让学生对实验的认识更加深刻，同时也是对所学习理论知识的又一遍梳理过程，可以达到理論知识与知识实践应用的良好反馈。

2. 在整个建模时，会因为软件的参数设置或者条件设置等诸多问题，学生就要自主地去解决这样的问题，这样在建模中就会对学生培养一种探究思维和解决问题的能力得到相应的提升。

3. 学生通过软件就可以自行地对实验进行模拟，这样的实验不仅仅局限于教学计划之内的基础实验，也可以是对一些实际工程问题的模拟。对于学校而言，这样就降低了实验教学成本的投入，而达到更好地教学效果。

参考文献：

[1]王延遐，沈玉凤，张东焕，等.工程力学[M].北京：北京科学出版社，2017.

[2]王艳春.有限元分析与《工程力学》课程教学融合的探索[J].青岛科技大学学报（自然科学版），2017，38（s1）：211-212.

[3]胡清明，李东升，等.有限元技术在工程力学教学中的应用探索[J].高师理科学刊，2014（5）：104.

[4]叶勇.谈ANSYS与材料力学课程教学的有机结合[J].科技情报开发与经济，2005，15（20）：216-218.

[5]赵兴华.ADINA/ADINAT使用手册[M].北京：机械工业出版社，1986.

[6]马兆盛.ADINA程序介绍[J].机械设计与制造，1986（5）：36-39.