工业软件LiToSim服务于机械设计课程教学的可行性分析

燕鑫　马纲　刘思琴　冯志强　刘建涛

摘要：  为增强学生对现代机械设计方法的理解，使学生初步掌握现代设计工具的使用，在机械工程专业本科生机械设计课程中，引入全中文工业软件励颐拓LiToSim模拟平台以辅助教学。利用LiToSim有限元软件作为可视化工具，定性展示关键零件在工作时的受力情况，并对其可能的失效模式进行分析，将其作为学生实践研习的分析工具。齿轮及螺栓组等课堂展示案例和学生研习案例证实该方法的可行性，将现代工业软件引入课堂教学中，能够为扩展学生视野和提升学生能力提供帮助。

关键词：  机械设计; 教学; 课程研习; 有限元

中图分类号：  G642;TH4文献标志码：  B

Feasibility analysis of industrial software LiToSim

serving teaching of mechanical design course

YAN Xin MA Gang LIU Siqin FENG Zhiqiang LIU Jiantao

（1. School of Mechanical Engineering and Automation， Beihang University， Beijing 100191， China;

2. School of Mechanics and Aerospace Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;

3. Chongqing LiToSim Software Co.， Ltd.， Chongqing 400014， China;

4. School of Mechanical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

Abstract： To enhance students understanding of the modern mechanical design methods， and enable students to master the use of modern design tools， the all Chinese industrial software LiToSim simulation platform is introduced to assist the teaching in the course of mechanical design for the undergraduate majoring in mechanical engineering. Finite element software LiToSim is used as a visualization tool， and the stress of key parts during operation is qualitatively displayed. LiToSim is used as an analytical tool for students practical study. The feasibility of the method is confirmed by the classroom demonstration cases such as gear and bolt group and the student study cases. It shows that it can help to expand student vision and improve student ability by introducing the modern industrial software into classroom teaching.

Key words： mechanical design; teaching; course study; finite element

基金项目：  北京航空航天大学2021年校教学改革项目

作者简介： 燕鑫（1988—），女，内蒙古呼和浩特人，博士，研究方向为多尺度模拟和微纳米力学，（E-mail）yan_xin@buaa.edu.cn0引言

机械设计课程是以培养工科学生机械工程设计能力为目的的专业基础课程，其主要内容包括机械设计所依据的基本理论和方法、通用机械零部件的设计方法和准则，以及配套的设计实践训练等。基于机械设计课程的学习，学生可了解和掌握机械工程中常用零部件的设计方法，并能够考虑运动、结构、材料、工艺、可靠性等多方面因素，完成综合设计[1]。在机械设计课程的教学过程中，以一般尺寸通用零件设计为核心，为学生引入一系列理论知识和设计方法。学生在学习过程中不仅需要了解课程中讨论的零部件的设计理论和方法，而且要掌握有关的设计规律和技术措施，从而具有设计其他零部件的能力[2]。在机械设计课程的教学过程中，学生可以通过一系列的研习作业深化理解并运用设计理论和方法。

随着科学技术的发展，设计过程和方法也发生很大变化。现代机械设计过程强调以计算机为工具，以工程软件为基础，采用现代设计理念和方法，具有高效性和高可靠性[3]。工程软件，包括建模软件、动力学分析软件、有限元分析软件等在工程设计中广泛使用。一些教师尝试在本科生教学环节引入工程软件[4]，使学生较早地接触工程软件，为后期的学习奠定基础。在强化基础学习之外，了解先进的设计方法，接触较为先进的设计工具对拓宽学生视野具有深远意义。

1LiToSim有限元仿真在《機械设计》教学中使用的优势有限元模拟软件在工程设计中应用广泛，运用工业软件对机械零部件进行力学分析是现代机械工程师必备的一项技能。现阶段，国内外基于有限元计算的CAE软件蓬勃发展。基于具有良好图形化交互界面的有限元软件，用户可以通过一系列简单的操作完成复杂系统的大规模求解，以及信息的提取和处理[5-6]。运用有限元软件，工程师们可以低成本快速准确地对工件的受力、形变和失效等进行系统性分析，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计效率[7]。然而，有限元理论体系复杂，需要深厚的数理功底，对于机械类本科生而言，系统性的学习和运用有限元方法具有一定的挑战性。在早期机械设计课程教学环节中引入有限元分析方法可以拓展学生的思路，激发学生的学习兴趣和创新能力，为后期进一步理论学习、科学研究和工程应用奠定良好的基础[8]。

将有限元模拟软件引入机械设计课程课堂教学中有诸多问题。主流的有限元软件大多由国外公司开发，全英文的操作界面对于没有系统学习专业英文的本科生来说学习壁垒提高，特别是在查阅帮助文件或者用户手册时，大篇的英文介绍会使学生难以快速上手，进而影响课程研习。与此同时，一些软件还存在版权问题，正版软件售价昂贵，即便是教学版，对于教学团队也是一笔较大支出。

励颐拓LiToSim是一款国产自主可控且具有国际先进水平的通用有限元仿真软件[9]，可用于航空航天、汽车制造、电子通信、船舶制造、石油化工等多个领域，能够求解复杂的固体力学问题，能够模拟真实的力学现象。将该软件引入机械设计课程课堂教学具有以下几个优势：首先，LiToSim软件可以满足机械设计课程教学需要的、配合课堂讲授内容的典型机械零部件受力分析，增强课堂教学效果，辅助学生学习新知识;其次，LiToSim具有开源免费教学版，学生可以获得免费正版许可证号进行研习使用，安装方便，不存在版权问题;再次，相比于国外的软件，LiToSim全汉化平台和用户手册，可以使学生快速上手，更专注于力学和机械方面知识的学习，激发学生学习的热情。此外，在本科生阶段引入仿真技术和国产软件，可促进国产软件的推广，对于中国工业4.0推进和教育改革都具有重要意义。作为国产自主可控的有限元软件，在机械设计课程教学过程中可以配合课程思政，培养学生自豪感，鼓勵学生勤学苦研，投身于国产工业软件研发事业[10]。

在本科生机械设计课程教学中引入国产有限元软件LiToSim主要有2种思路：一是作为可视化工具定性展示重点零件在工作中的受力情况（在有限元模拟中，边界条件设置、材料参数等会直接影响计算结果，因此在课堂展示、辅助关键知识点讲授时主要是定性分析，以给学生更直观的感受）;二是学生可以在研习过程中将LiToSim作为分析工具，分析不同零件的受力和变形。

2算例展示和分析

2.1课堂展示案例

2.1.1直尺圆柱齿轮

轮齿折断是齿轮传动的主要失效形式之一，圆柱齿轮的轮齿可以看作变截面悬臂梁，因此齿轮受载后在齿根处会产生较大应力，与此同时，齿根处过渡部分的尺寸发生较大变化，进而引起应力集中。采用增大齿根过渡圆角半径、对齿根进行喷丸或碾压强化处理、消除该处的加工刀痕等可提高轮齿的抗折断能力[1-3]。在课堂讲授这部分内容时，除采用理论分析方法外，教师可使用LiToSim向学生展示啮合过程中某一时刻齿轮的受力以及齿根处应力集中，并对比不同圆角半径齿根的受力情况。

圆柱齿轮结构见图1（a），圈出的轮齿为当前受力的轮齿。网格划分后，将载荷施加在图1（b）的区域，可近似认为齿轮上的力沿接触线均匀分布。通过LiToSim进行大规模求解，分析得到齿轮的应力分布见图1（c）和1（d）。图1（c）中齿根圆角半径为0.8 mm，图1（d）中齿根圆角半径为1.5 mm，轮齿根部存在应力集中的区域见图1（c）和1（d）中放大图。当增大圆角半径后，极大应力值显著减小。图1（c）和1（d）所示的应力云图采用相同的染色方式，当圆角半径为0.8 mm时，齿根处呈深红色，而当圆角半径增大到1.5 mm时，齿根处依然有应力集中，但相应的应力值有所减小，呈桔黄色。

2.1.2螺栓组

螺栓连接是机械结构中较为常见的连接结构，螺栓组的设计、分析和校核是机械类本科生机械设计课程教学的重要章节。在对螺栓组进行分析时，需要将载荷简化到螺栓组几何形心，并按照典型螺栓组连接受力分析方法，求解各简化载荷下的螺栓受力并计算向量和，选择其中受力最大的载荷并对其进行强度计算。在课堂讲解中，教师可先按照理论方法分析受力和推测危险螺栓，而后运用LiToSim对系统受力进行仿真，由应力云图确认危险螺栓，并与理论分析进行比较。

以龙门起重器机导轨托架为例，2块边板各用4个螺栓与工字钢相连接，导轨托架的1/2结构见图2（a）。假设工字钢不发生移动和变形，托架所受载荷随起吊质量不同而变化，螺栓组受力见图2（b），托架受20 kN向下作用力。4个螺栓分别编号1～4，在图2（a）～（d）中编号相同的螺栓表示同一螺栓。将外加载荷F转移到螺栓组的形心，螺栓组受力可简化为作用在螺栓组形心的力F和平面内转矩。力F可等效为4个螺栓受力F_p1、F_p2、F_p3和F_p4。绕y轴的转矩可等效为螺栓受力F_r1、F_r2、F_r3和F_r4（见图2（b））。螺栓2和4所受的力不能够抵消，因此相对危险。通过有限元求解的方法可以得到螺栓组应力云图（见图2（c）），螺栓2和4承受应力较大，较为危险。被连接件和螺栓在载荷作用下的位移云图见图2（d）。

2.2学生研习案例

在学生研习案例分析中，选取相对简单的算例，给学生提供几何结构文件和相关的材料参数，学生依据详尽的使用手册可以快速上手，完成分析。

平键连接轮毂与轴的结构见图3（a），平键的工作面为侧面。在研习过程中，学生可根据平键的工作原理和提供的平键结构，分析平键工作中的受力。学生导入教师提供的结构，按图3（b）的功能树，逐个设定网格、单元、材料、边界、载荷、求解参数等。《运用LiToSim进行典型机械零部件受力分析手册》的部分截图见图4，包括导入结构时的操作（图4（a），网格划分（图4（b））、求解设置（图4（c））和结果分析（图4（d））。受篇幅限制，此处未将全部的操作流程以图片形式展示。基于该手册，学生可以很容易地进行平键受力分析。

除平键的受力分析外，在研习学习中，还可以选择花键、斜齿轮、滚动轴承等结构，供学生进行受力分析。除平键外，在教学过程中，教师不提供学生其他零部件分析详尽的操作说明，希望学生可在平键受力分析的基础上进行研习。除此之外，LiToSim软件提供的结构难度不一，学生可以根据情况自行选择，也可以自己建模进行分析。

3结束语

将LiToSim软件引入机械设计课程本科生教学，可配合教材辅助学生理解课程关键知识点。与此同时，鼓励学生运用LiToSim软件完成典型零部件受力分析的研习，激发学生学习探索的热情。文中展示的案例较为简单，在教学实践过程中老师和同学可结合实践经验，发展出一系列更为有趣的案例。学生在研习过程中积累的经验可服务于学生未来的学习、深造和工作。参考文献：

[1]王之栎， 马纲， 陈心颐. 机械设计[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2011： 1-217.

[2]濮良贵， 陈国定， 吴立言. 机械设计[M]. 9版. 北京： 高等教育出版社， 2013.

[3]孔凌嘉， 王晓力. 高等学校机械基础课程系列教材： 机械设计[M]. 北京： 北京理工大学出版社， 2006： 402-421.

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[5]冯志强， 刘建涛， 彭磊， 等. 自主CAE平台及计算力学软件研发新进展[J]. 西南交通大学学报， 2016， 51（3）： 519-524.

[6]冯志强， 刘建涛. 计算力学软件平台与图形用户界面的研发[C]// 中国力学大会2013论文集. 西安： 中国力学学会.

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[8]張元祥， 倪成员. 机械类专业有限元法与应用课程教学改革的研究与探索[J]. 科教文汇（上旬刊）， 2018（8）： 96-99. DOI： 10.16871/j.cnki.kjwha.2018.08.031.

[9]程耿东， 关振群. 发展国产CAE软件纵横谈[C]// 中国科学院技术科学论坛学术报告会议论文集（2006）. 北京： 中国科学院.

[10]YE Y P， GU S T， LIU M， et al. Optimization software development for offshore turbine transition structures based on LiToSim[J]. Applied Mathematics and Mechanics， 2021， 42（5）： 441-451. DOI： 10.21656/1000-0887.410354.（编辑武晓英）