基于有限元自主仿真软件的教学创新研究

孙昊 安冬阳

收稿日期：2023-08-31

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.040

摘  要：随着数字化建设的不断推进，计算机辅助工程（Computer Aided Engineering， CAE）在各领域的应用也愈发广泛，将CAE仿真技術引入课堂，以数字化教学模式培养新时代具有创新能力的复合型人才已经成为教育发展的必然趋势。国外商用有限元仿真软件存在操作烦琐，无仿真基础学生一时难以上手等问题。国产自主开发的有限元仿真软件配有众多应用接口，凭借其操作简单、功能完善等优势脱颖而出，为CAE仿真与课堂教学的结合注入全新的活力。

关键词；有限元自主仿真软件；计算机辅助工程；数字化教学

中图分类号：TP391.9；G642.0  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2024）06-0190-05

Research on Teaching Innovation Based on Finite Element Autonomous

Simulation Software

SUN Hao， AN Dongyang

（Xi'an Jiaotong University， Xi'an  710049， China）

Abstract： With the continuous advancement of digital construction， the application of Computer Aided Engineering （CAE） in various fields has become increasingly widespread. Introducing CAE simulation technology into the classroom and cultivating innovative composite talents in the new era in digital teaching mode has become an inevitable trend in educational development. Foreign commercial finite element simulation software has problems such as cumbersome operation and have difficulty for students without simulation foundation to get started. The domestically developed finite element simulation software is equipped with numerous application interfaces， standing out with its advantages of simple operation and complete functions， injecting new vitality into the combination of CAE simulation and classroom teaching.

Keywords： finite element autonomous simulation software; CAE; digital teaching

0  引  言

随着数字化建设的不断发展，计算机辅助工程（Computer Aided Engineering， CAE）的作用日益凸显，其不仅可以辅助设计人员完善设计思路，提高设计创新能力，还有利于节约实验成本，提高生产效率。工业软件是驱动制造业创新发展的重要动力，赋予智能制造丰富的内涵和应用前景[1]。CAE仿真平台主要用以提高企业研发效率和产品性能，助力我们实现了工程技术软件化，推动了工程技术和工艺制造的数字化、集成化和系统化发展[2]。如今，将CAE仿真带入课堂，学生通过实操将理论与实践相结合的“课堂授课—人机交互—软件开发”教学模式也逐渐成为科技与教学相结合的方式之一[3]，如何使学生在这种创新型教育模式下更加有效地进行仿真学习，巩固和深化理论知识，以及充分发挥CAE仿真对教学的助力作用，已经成为广受关注的核心问题[4]。

在国外，商用软件公司在较早时期就开始开发多物理场仿真软件平台。其中，ANSYS、COMSOL等软件因其成熟的研发技术、广泛的用户群体以及极具代表性的功能而备受认可。然而，这些国外商用仿真软件操作难度较高，对于没有实操经验的学生来说，复杂的操作流程可能会降低他们的学习热情，影响课堂学习效果。因此，将简单易用、学习者没有编程基础即可上手的国产化有限元仿真软件Simdroid引入课堂，成为在保持教学效率的同时实现课堂教学与数字化教育有效结合的解决方案[5]。借助Simdroid国产有限元仿真软件，学生可以通过直观的图形界面轻松完成仿真操作，将理论知识应用于实际情境，这样的学习方式提升了学生的参与度和动手实践能力，为教学过程增添了活力，为学生提供了更具启发性和互动性的学习体验[6]。

综上所述，随着数字化建设的深入推进，CAE在教学中的应用越来越受重视。将国产有限元仿真软件Simdroid引入课堂，不仅能有效提升学生的学习效率，还能为数字化教育提供切实可行的解决方案。通过简化操作流程、增加互动性，这一创新教学模式有望培养更多具备跨学科综合能力和实际操作技能的人才，为数字化建设提供有力支撑[7]。

1  国产有限元自主仿真软件功能介绍

Simdroid是一款由北京云道智造科技有限公司研发的多物理场仿真平台，旨在为学生提供一体化的图形化交互式环境，使学生可以轻松实现建模、仿真和应用开发，无须进行烦琐的编程工作[8，9]。

1.1  统一的图形交互式建模仿真环境

Simdroid所呈现的统一图形交互式建模仿真环境，能够让学生更加直观地进行仿真和建模学习，这种环境的引入对学习门槛的降低产生了积极的影响，学生能够依赖视觉化的互动方式，将抽象的流体、磁场等概念转化为非抽象的物象进行建模与仿真，学生能够将课堂理論转化为实际操控，从而加深对多物理现象的理解。这种直观、互动的仿真环境，在仿真和建模方面为学生提供了独有的学习途径。

1.2  无需编程基础

无代码或低代码建模是一种快速的软件开发方法，它的原理是在可视化的应用开发环境中利用内置组件或模块化功能进行软件开发，以预定义和配置取代手动编写原始代码[10]。采用Simdroid无需编程即可完成仿真建模和APP开发工作，因此，非计算机专业的学生能够将精力更为集中地用于对领域概念的理解，能够在摆脱复杂编程的情境下更加扎实有效地掌握学科知识。如图1所示为Simdroid的APP开发界面，通过鼠标即可完成按钮、输入框、图表等元素的添加。

图1  APP开发界面

这种无需编程的方法使得学生们能够更快地将自己的想法付诸实践，提高了学生的学习效率。同时，他们无需在编写和调试代码上花费大量的时间和精力，这种直观的界面设计也为学生提供一个探索和创新的平台，他们可以随意尝试不同的布局和元素组合，以寻找最佳的解决方案。

1.3  支持多物理场仿真

Simdroid支持多种物理场景的仿真，学生可以轻松切换到不同的物理场景，并在一个统一的界面下进行建模和仿真。如图2所示为多物理场切换界面。在机械领域，学生可以探索各种结构的受力情况，预测零件的变形和应力分布；在电气领域，学生可以模拟不同激励类型，研究电磁场的分布和特性；在流体领域，学生可以分析流体流动的模式、速度分布以及压力变化。

图2  多物理场切换界面

这种综合性的学习环境有助于培养学生的跨学科思维能力。学生将不再局限于单一领域，而是能够将不同领域的知识相互关联，从而深化对多学科交叉问题的理解。学生可以更好地意识到各个物理场景之间的依存关系，从而能够更全面地解决涉及多领域知识的问题。

1.4  支持APP封装开发

Simdroid支持学生将他们的仿真结果封装为APP文件，这种文件形式能够在移动设备上运行。这一功能使得学生得以将其在仿真环境中获得的学习成果，转化为能够在移动平台上展示、交流的移动应用，以移动应用的形式与他人分享自己的学习成果。这不仅有助于知识传递，还能推动理论与实践之间的紧密结合。

2  国产有限元自主仿真软件操作接口

Simdroid国产有限元自主仿真软件框架包括五个构成要素，分别为模型建立、材料添加、网格剖分、激励设置以及结果查看。这些模块的设计简洁明了，为学生提供了便捷的操作流程，能够使学生迅速掌握软件的使用要领。同时，该框架还为学生提供了丰富的学习机会，学生可以在各个模块的设置下更加直观深刻地掌握各个物理参数对仿真结果的影响。

2.1  模型建立

Simdroid提供了多样化的建模方式供学生选择使用，学生可以通过两种方法来创建仿真模型：内部手动绘制模型、外部导入已有模型。如图3所示为内部手动绘制模型示例图，软件提供直线、圆圈、点、弧等多种绘图模块，能够使学生轻松绘制简易模型，提高学生的动手能力。此外，允许学生在构建APP应用程序时根据需要设定任意大小的模型边长。这使得学生能够将仿真模型制作成APP后，通过手动输入参数值的方式，自由调整各个尺寸的数值以进行深入的仿真分析。这样，学生能够在课堂之外更加深入地理解每个部件尺寸参数对模型仿真结果的影响，从而全面认识各个部件的功用，这也为学生未来优化改进模型提供了更为便捷的手段。另一方面，采用外部导入已有模型的方法能够省去学生手动绘制模型的时间。在课堂上，学生可以轻松导入已有的仿真模型，使学生能够将更多的精力投入到原理和仿真学习上，从而在不偏离教学目标的前提下使学生更加深入地理解课程内容。

图3  内部手动绘制模型示例图

2.2  材料添加

Simdroid为学生提供库内导入、自定义材料、外部导入等多种材料添加手段。在库内导入方面，Simdroid提供诸如M14钢、M19钢、空气等电磁材料，提供诸如水、攻、油等流体材料，提供诸如弹塑性不锈钢、线弹性铜合金、铁等固体材料。Simdroid内置材料库中涵盖了广泛的常见材料，学生可以库内导入的方式进行材料添加。对于自定义材料而言，学生能够自行设定材料的各个属性，例如可对硅钢片的B-H特性曲线进行输入，可对永磁体材料的矫顽力和磁导率进行设置等。如图4所示为通过自定义材料的方式添加的Q235材料B-H特性曲线，通过这种方式，学生能够对材料某一具体属性对仿真结果的影响进行深入探究，将课堂中学习的理论与实践相结合。对于外部导入而言，学生可以将设置好的材料保存导出，若在下一次仿真时用到相同的材料，可直接将材料重新导入，这种方式大大提高了仿真设置的效率。

图4  自定义绘制B-H特性曲线

2.3  网格剖分

Simdroid提供两种网格剖分方法，分别为整体剖分和单体剖分。整体剖分是指在剖分模型时对该模型的全部部件采用相同的剖分准则，该操作较为简单，仅需对最大网格尺寸、最小网格尺寸和剖分精细度进行设置即可，但是网格较密情况下的仿真计算时间较长。如图5所示，Simdroid提供五个等级的精细度选项，没有网格剖分基础的学生可以通过整体剖分的方法快速实行网格剖分，通过改变精细度的方式也可以让学生初步认识到网格疏密的不同对仿真时间和结果的影响。单体剖分是指能够对模型各个部件进行网格尺寸的剖分，可以通过线剖分、面剖分、体剖分的方式进行，对于有网格剖分基础的学生来说，单体剖分能够更加合理地规划模型各部件的网格尺寸，大大节省仿真计算时间，为后续仿真结果的准确性提供重要保证。

图5  网格剖分的五种精细度选项

2.4  分析设置

如图6所示，Simdroid分析设置提供边界条件、激励类型等功能接口。边界条件中包含磁力线平行、磁力线垂直、自由边界等功能选项，学生在设置边界条件的过程中能够通过实践领悟到不同边界条件对仿真结果的影响，进而深入理解课堂中相对抽象的概念公式。此外，激励类型中包含电压、电流、永磁体、电路等激励，各激励在设置过程中操作简单，学生可通过设置不同类型的激励进行仿真分析，从而更深入地理解不同电压、不同电流、不同电路对仿真结果的影响。

这样的环境鼓励学生积极参与实践并进行深入的思考，培养他们对物理现象的深刻理解和探究能力。通过自主设置边界条件和激励类型，学生能够切身体验不同参数变化对仿真结果的影响，从而更好地理解课堂中所学的知识。这种操作方式不仅提升了学生的操作技能，还提高了他们对于仿真过程的综合性认知，为在解决实际问题时灵活应用理论知识打下坚实的基础。

2.5  结果查看

Simdroid提供场量图查看和曲线图查看两种功能选项。借助场量图功能，学生可以对磁感应强度分布、电流密度等物理量的云图、矢量图、等值线进行查看。此外，通过曲线图功能还可以绘制出仿真模型任意一点物理量随时间变化的曲线图，可以绘制运动物体所受电磁吸力随时间的变化曲线等。通过以上两种方式，学生不仅能够从整体上对模型的场量分布情况有一个更加清晰的认识，也能够从细节入手，深入分析仿真过程中模型某一部位物理量随时间的变化趋势。

3  国产有限元自主仿真软件与教学的结合

国产有限元自主仿真软件能够在多个物理场景下进行仿真分析，拥有灵活可控、易操作、多接口等诸多优势，对于促进“课堂授课—人机交互—软件开发”教学模式的应用具有举足轻重的作用。如图7所示，在该教学模式下，将国产CAE仿真软件与开关电器课程有机结合，以鼓励“创新、实践”为导向，充分整合企业的工程实践优势，在学生掌握开关电器设计理论的基础上，借助自主底层软件系统引导学生独立开发软件界面，针对开关电器的特定模块进行设计。这一融合方法有助于深度结合开关电器设计理论与软件自主开发，从而提升学生自主学习、积极探索以及解决实际问题的综合能力。同时，将国产CAE仿真与教学相结合还能够树立“国产基础软件”的核心理念，培养电力系统迅猛发展背景下所需的创新型人才，服务于国民经济主战场。

该“课堂授课—人机交互—软件開发”的教学模式可在教学内容、教学方法以及学生理念培养三个方面进行革新。首先，有助于更新现有教学内容，在原有理论知识和设计方法教学的基础上，联合行业龙头企业，归纳开关电器设计涉及的机械加工、绝缘设计、设备制造等实用知识并将其融入教学，同时密切结合行业最新动态，让学生既能全面掌握关键知识点，又能把握特定的工程实际问题。其次，有助于革新现有教学方法，在课堂授课的基础上，与软件开发企业联合构建课堂教学所需的自主化底层软件平台，邀请软件开发企业对学生进行培训，增加学生的上机操作机会，这样能够让学生在学习开关电器设计理论的基础上对开关电器的特定模块进行设计，提升学生自主学习、学以致用以及解决实际问题的综合能力。最后，该教学模式可培养学生“国产基础软件”的核心理念，在教学中融入课程思政，密切结合国际行业动态，促使学生形成“自主化软件”“自主化装备”的开发意识。

4  结  论

随着课堂教育与计算机辅助的结合，如何在完成教学目标的前提下提高课堂学习效率、培养新时代人才，是专业教师们需要不断思考和研究的课题。随着以Simdroid为首国产有限元自主仿真软件的更新迭代，CAE仿真软件也向操作简单、无需编程、支持图形交互建模仿真的方向发展，为学生在高效学习课堂内容之余培养其创新、动手能力提供广阔的平台。相信随着数字化与教学改革的不断推进，国产有限元自主仿真软件将会与课堂更加紧密地结合，在助力培养学生综合素质方面发挥其更大的作用。

参考文献：

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[8] 张季，刘道军.静电场测绘实验与计算机模拟 [J].九江学院学报：自然科学版，2016，31（4）：47-49.

[9] 刘高升.仿真技术人才培养新路径探索——以云道智造产教融合实践为例 [J].软件导刊，2022，21（10）：231-235.

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作者简介：孙昊（1988—），男，汉族，山东泰安人，副教授，博士生导师，博士，研究方向：电力开关设备数字化设计、等离子体先进诊断方法与应用技术。