ANSYS软件在材料力学教学中的应用

董敏

ANSYS软件在材料力学教学中的应用

董敏

（山东华宇工学院 能源与建筑工程学院，山东 德州 253034）

材料力学是工科专业的一门必修专业基础课，在专业课与基础课之间起到桥梁的作用。在材料力学课程讲授中，理论性较强，推导公式复杂，学生对于抽象的概念比较难理解。文章借助ANSYS软件将材料力学抽象知识具体化、形象化，提高了学生的学习积极性，培养了学生解决工程实际问题的能力，同时对教师的科研能力起到了一定的促进作用。

材料力学；ANSYS软件；应力；内力图

引言

材料力学是研究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定和导致各种材料破坏的极限。它是固体力学的一个分支，其主要任务是将工程结构中的构件，在保证其强度、刚度和稳定性的前提下，以最经济为代价，选择合适的材料，并确定合理的截面形状和尺寸[1]。材料力学课程主要介绍构件的轴向拉压、剪切、扭转和弯曲四种基本变形形式，知识点较多，理论性较强，且公式推导过程复杂。有限元技术是一种结合力学、数学、计算机图形学等多学科的一种新型的科学技术，在科学研究领域有着良好的应用，其通过计算机图形学等方法[2]，可以将计算得到的数据借助于图形或者图表的方式直观地展示给用户。通常在工程应用中需要借助于有限元工具ANSYS计算出结构或者材料的应力、应变、能量等变化规律，这和材料力学的研究内容不谋而合。将ANSYS软件的应用融合到材料力学课程的教学中将是未来发展的一个趋势[3]。

材料力学传统的授课方式以纯理论教学为主，学生学习积极性差，兴趣不高，因此，将ANSYS软件与材料力学课程相结合新型授课方式与传统教学方式相比，既具有挑战性又具有必然性，通过用此教学方式不但可以拓宽学生视野，激发学生对材料力学的学习兴趣，加深学生对基本理论知识的理解，同时还可以提高学生利用ANSYS软件来解决实际工程问题能力。

1 圣维南原理

杆件发生轴向拉压变形时，外力引起内力，而内力不能用来判断杆件是否容易发生破坏，需要通过应力来衡量。轴向拉压变形横截面上的应力分布规律和计算公式通过平面假设推导得到：应力均匀分布。但此分布规律有一定的适用条件，即构件所受外力必须为均布力，如果更换为集中力，横截面上的应力将不再均匀分布。对于两种不同受力情况下的应力分布规律，比较抽象，学生不能通过想象来理解，因此需要借助ANSYS仿真软件，将两种不同受力方式下的应力分布规律进行计算并输入分布云图，让学生通过观察对比分布云图来理解应力分布规律的变化，最终得到圣维南原理。利用ANSYS软件计算结果，让抽象内容具体化，让学生更容易理解与记忆，提高学生的学习兴趣。

图1 力作用方式不同产生的影响

2 应力集中

对于轴向拉压变形在平面假设成立的前提下，得到其横截面上的应力均匀分布，但工程构件不可避免地会开孔或开槽，让构件的局部尺寸发生突变，那在尺寸发生突变处，应力会急剧增加[4]，产生应力集中，对于应力急剧增加的现象，借助ANSYS软件计算结果进行讲解，通过观察计算云图应力分布规律，让学生了解应力集中的概念，以及尺寸突变处应力的分布规律。

图2 采用有限元计算了带有圆孔的平板的应力

3 内力图绘制

ANSYS软件主要是通过建立几何模型，设置边界条件，最终绘制出构件的内力图，求解构件的强度和刚度问题，这与材料力学的基本任务是不谋而合的，所有利用ANSYS软件可以更快速、便捷的求解出构件的应力和变形，而省去了我们人力进行手算的时间，省时、省力。为了进一步验证ANSYS软件与材料力学所授理论的一致性，在弯曲变形讲授弯曲内力图绘制的知识点时，会让学生利用所学的理论知识绘制出内力图，并与ANSYS软件绘制出的内力图进行对比分析，通过对比发现，两者结果完全一致。这也进一步验证了理论与软件的一致性，增加学生对软件的兴趣，为后续毕业设计奠定了基础。

图3 内力图绘制

图4 ANSYS软件边界条件设置

图5 ANSYS软件内力图绘制

4 剪切应力分布

剪切变形是材料力学研究的四种基本变形之一，它主要发生在连接件之间，起到传递力或力矩的作用，主要发生在螺栓、健、铆钉等连接件上。由于连接件尺寸较小，所以工程中对其正常工作时的应力分布规律并没有进行深入研究，但在理论教学中需要对其应力分布规律进行了解。因此，构件发生剪切变形时，其横截面上应力的分布规律就可以通过ANSYS软件计算得到，让学生了解剪切变形应力分布规律，并对应力分布规律的原因进行进一步探索，进一步提高了课堂的挑战性。

图6 铆钉应力分布规律

在材料力学课程中利用ANSYS软件进行教学，将先进的设计理念引进课堂教学中，能使学生掌握专业软件和现代设计方法，拓宽知识面，加强教学与工程应用之间的有机结合。同时培养学生的建模能力，学生可以根据课堂内所学的基础理论建立材料力学模型，根据具体问题选择合理的计算模型，提升学生的独立思考能力。引入工程实例，培养学生解决实际工程问题能力。学生能够对教师提出的实际工程问题，利用ANSYS软件进行模拟计算，并对计算结果的合理性进行定性判断。利用所学理论知识与软件计算结果进行对比分析，提升学生自主学习和科学研究工作的能力。学生在教师的引导下，在课程初期确定一个与自己研究方向相关的模拟题目，然后带着问题进行课程学习，进一步明确学生的学习目标，提高学习的主动性。利用ANSYS软件进行教学的过程中，不仅可以让学生了解和学习软件，同时也提升教师的科研能力和社会服务能力，老师深入开展仿真模拟软件环境下的课堂教学模式研究，加强了学科整合力量，提高了科学研究水平，与实际工程相结合，提高了为企业服务的能力。

5 总结

（1）固有课程与模拟软件有机结合。将材料力学中抽象、复杂和难懂的物理模型进行简化，运用ANSYS软件模拟构件在受力时的应力、应变状态，并转换为生动的图形、图像及动画，有助于提高学生的形象思维能力，帮助学生理解和掌握抽象的理论知识，提高课堂教学质量，激发学生的学习兴趣和动力。

（2）理论知识与实际工程有机结合。将课堂所学理论知识与实际工程相结合，针对具体的工程问题，运用ANSYS软件，依据工程实际对求解模型进行简化，然后利用材料力学的理论对模型进行边界条件的设置，最后求解，培养学生在实际工程中应用软件的能力。

（3）软件与理论教学相结合的新型授课模式的成功应用，将很好地促进相应课程的教学改革。在教学过程中，利用ANSYS软件不仅可以采用直观的图形显示，也可以将抽象的概念形象化，增强了学生对结构的感性认识。通过与模拟软件结合进行授课，有助于学生运用软件进行实际工程案例分析，激发学生的学习兴趣，提高学生的自主学习能力和创新能力，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。

[1] 李艳洁,赵东,赵秀丽,等.ANSYS软件在“材料力学”教学中的应用[J].中国林业教育,2009,27(S1):44-46.

[2] 张志红.ANSYS软件在材料力学教学中的应用研究[J].海峡科技与产业,2017(01):127-128.

[3] 刘斌.ANSYS软件在材料力学课程辅助教学中的应用[J].山东工业技术,2015(16):198-199.

[4] 刘鸿文.材料力学(上册)[M].北京:高等教育出版社,2016.

Application of ANSYS Software in Material Mechanics Teaching

DONG Min

( Shandong Huayu University of technology, School of Energy and Building Engineering, Shandong Dezhou 253034 )

Mechanics of materials is a compulsory basic course for engineering majors, which acts as a bridge between the specialized courses and the basic courses. In the teaching of mechanics of materials, the theory is strong and the formulas are complicated, it is difficult for students to understand the abstract concept. In this paper, the abstract knowledge of material mechanics is concretized and visualized by means of ANSYS software, which improves students'learning enthusiasm and trains students'ability to solve practical engineering problems, at the same time, it plays a certain role in promoting the scientific research ability of teachers.

Material mechanics; ANSYS software; Stress; Internal force diagram

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.051

G642.0

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1671-7988(2021)21-191-03

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董敏（1986—），讲师，就职于山东华宇工学院，从事《材料力学》《理论力学》课程教学。

ANSYS软件在材料力学教学改革中的实践，基金编号：2019JG22；山东华宇工学院校级一流课程：《材料力学》。