ANSYS軟件在材料力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

張志紅

摘 要：ANSYS軟件是材料力學(xué)中常用的基礎(chǔ)性軟件，同時(shí)也是世界上應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)用程序。在教學(xué)中應(yīng)用ANSYS軟件，可以憑借其自身強(qiáng)大的分析功能，將圖形形象的顯示出來，讓學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)原理及現(xiàn)象有直觀的了解，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度。本文就ANSYS軟件在材料力學(xué)中的應(yīng)用作簡(jiǎn)要闡述。

關(guān)鍵詞：ANSYS軟件；材料力學(xué)；應(yīng)用研究

作為一款有源分析軟件，ANSYS將多學(xué)科知識(shí)融于一體，包含了結(jié)構(gòu)，電磁，流體，聲學(xué)以及熱等領(lǐng)域。在應(yīng)用方面則涉及到了造船、生物、輕工、水利、能源等科學(xué)研究領(lǐng)域。通過軟件應(yīng)用方面可以看出，在相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)學(xué)習(xí)具有一定的難度，如果單純依靠教師用傳統(tǒng)方式進(jìn)行教授，在教學(xué)效果方面一定是差強(qiáng)人意。ANSYS軟件應(yīng)用其中，則可以起到一定的輔助作用，教學(xué)工作可以達(dá)到事半功倍的效果，學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量也有了一定的保證。

1 材料力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀及內(nèi)容

（一）教學(xué)現(xiàn)狀

材料力學(xué)科目自身的特點(diǎn)在于具有一定的抽象性，導(dǎo)致理論知識(shí)理解方面存在一定難度。教學(xué)工作安排不合理，教學(xué)時(shí)間沒有從學(xué)生的理解能力以及應(yīng)用能力方面考慮，學(xué)生沒有充足的學(xué)習(xí)時(shí)間，教師在教學(xué)過程中為了在有效時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的教學(xué)任務(wù)，在教學(xué)的方法上存在一定的不合理性，沒有有效的調(diào)動(dòng)學(xué)生參與學(xué)習(xí)的興趣與熱情。

（二）教學(xué)內(nèi)容

材料力學(xué)中有幾部分關(guān)鍵的知識(shí)難度較大，學(xué)生在理解的時(shí)候存在一定的問題。比如應(yīng)力集中。所謂應(yīng)力集中是指構(gòu)件在受力的情況下，形狀及外形發(fā)生了突變從而導(dǎo)致的局部范圍內(nèi)的應(yīng)力顯著增大。教材通常只給出了應(yīng)力集中的影響因素，但對(duì)于在相關(guān)因素的影響下具體的系數(shù)卻沒有給出確定值，學(xué)生對(duì)于這一點(diǎn)知識(shí)未能深入理解。

2 ANSYS軟件及有限元

ANSYS軟件是由美國(guó)一名博士在1971年推出的，最早的版本僅僅提供了熱分析及線性結(jié)構(gòu)分析，其不足之處是只能在大型計(jì)算機(jī)運(yùn)行，并且只是批處理程序。在上世紀(jì)70年代初期及后期有一定的發(fā)展，隨著技術(shù)不斷的進(jìn)步，ANSYS軟件的功能也越來越強(qiáng)大，為用戶對(duì)某些問題進(jìn)行深入的研究提供了幫助。有限元的發(fā)展有三個(gè)階段，探索時(shí)期，獨(dú)立發(fā)展時(shí)期，專家應(yīng)用與其它軟件相互補(bǔ)充，共同發(fā)展時(shí)期，并且呈現(xiàn)出了相應(yīng)的趨勢(shì)特征。

3 ANSYS軟件特點(diǎn)

（一）處理能力強(qiáng)大

處理能力強(qiáng)大主要體現(xiàn)在四個(gè)方面，其一是建模，其二是網(wǎng)格劃分，其三是參數(shù)設(shè)置，其四是與CAD無縫集成。網(wǎng)格劃分主要有兩種方式，自由與映射網(wǎng)格劃分，對(duì)于不同的幾何體而言，則有拖拉網(wǎng)格，層網(wǎng)格，局部細(xì)化。無縫集成方面，能夠與多款軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（二）加載求解

在ANSYS軟件中，位移，溫度，力等任何載荷可在任意幾何體或有限元實(shí)體上，可以是數(shù)值，也可以是相關(guān)的函數(shù)。

（三）后期處理

對(duì)于利用ANSYS軟件獲得的數(shù)據(jù)，可以采用不同的方式進(jìn)行輸出，比如，圖表，動(dòng)畫，此外還可以進(jìn)行載荷疊加分析。

（四）開放性

開放性主要體現(xiàn)在與其它軟件的有效對(duì)接，用戶在開放的環(huán)境下可以根據(jù)自己的需要對(duì)軟件進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)充，對(duì)于邊界條件，材料結(jié)構(gòu)等可以由用戶自定義。在不同類型的需求方面還可以進(jìn)行二次開發(fā)。

ANSYS軟件將自身技術(shù)與相關(guān)軟件有效的結(jié)合在一起，自帶的語言可以進(jìn)行二次開發(fā)。比如用戶可以在CAD中建模，然后通過接口將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。也可以用程序自帶語言建模，計(jì)算，此時(shí)采用的是命令流的方式。

4 分析步驟

ANSYS軟件分析步驟主要有三個(gè)方面。首先是模型創(chuàng)建，包含讀入或創(chuàng)建模型，定義屬性，以及網(wǎng)格劃分。其次是施加載荷及選項(xiàng)，條件設(shè)定并求解。最后一步是結(jié)果的分析及驗(yàn)證。

5 ANSYS軟件在材料力學(xué)教學(xué)工作中的優(yōu)勢(shì)

（一）教學(xué)效果提升

材料力學(xué)首先是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其次是將多專業(yè)知識(shí)集中于一體，主要研究?jī)?nèi)容是構(gòu)件在力的作用下產(chǎn)生的變形，損壞，以及失效等存在的規(guī)律。教學(xué)內(nèi)容涉及到公式多，邏輯性強(qiáng)，計(jì)算過程難度大，計(jì)算量大，如涉及到微積分等知識(shí)，學(xué)生對(duì)于知識(shí)的掌握及理解存在問題，對(duì)于教師而言，如何進(jìn)行有效的教學(xué)是不得不思考的問題。

ANSYS軟件針對(duì)問題進(jìn)行建模，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖象，從對(duì)人體大腦的刺激來看，視覺上的刺激更為有效，大腦對(duì)于信息的理解量更大，層次也更深。將抽象的知識(shí)變?yōu)榫唧w，有效降低了學(xué)習(xí)難度。并且ANSYS軟件教學(xué)是動(dòng)畫過程，學(xué)生對(duì)于知識(shí)以及相關(guān)原理的變化有清楚的認(rèn)識(shí)，表現(xiàn)形式更加生動(dòng)有趣，能夠在一定程度上調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和積極性，實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的提升。

（二）應(yīng)用能力培養(yǎng)

材料力學(xué)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)是為了更好的在實(shí)際工作中應(yīng)用，單純的理論教學(xué)不足以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)存在畏難情緒。ANSYS軟件應(yīng)用通過建模對(duì)實(shí)際情景進(jìn)行模擬，學(xué)生在一種高度真實(shí)的環(huán)境下學(xué)習(xí)，無論是理解能力方面還是在實(shí)踐能力的培養(yǎng)方面都有很大好處。

（三）增強(qiáng)探究性學(xué)習(xí)能力

ANSYS軟件在生活中的應(yīng)用非常廣泛，學(xué)生有必要了解熟悉并掌握。學(xué)生動(dòng)手的過程是為今后積累一定的經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)并提升其解決問題的能力，同時(shí)也為走向社會(huì)奠定基礎(chǔ)。

6 實(shí)例探究

在對(duì)ANSYS軟件有了基本的了解之后，可以結(jié)合具體的例子加深認(rèn)識(shí)。比如ANSYS軟件研究不同載荷下的懸臂梁。現(xiàn)假設(shè)有一懸臂梁，長(zhǎng)、高、厚度分別是500，60，20。彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。分別在載荷1500N及集中力偶230N·m發(fā)生橫力與純彎曲。

由左圖可看出正應(yīng)力在自由端附近為零，隨截面位置左移，應(yīng)力相應(yīng)增大，最大值出現(xiàn)在固定端。在固定端處最上與最下分別存在最大拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力，二者相等。

圖3為載荷下的米塞斯應(yīng)力圖，左為集中載荷，右為集中力偶。結(jié)果與實(shí)際情況完全相符合。

7 結(jié)束語

本文對(duì)ANSYS軟件相關(guān)方面進(jìn)行了說明，立足于教學(xué)實(shí)際，從軟件在教學(xué)工作中的優(yōu)勢(shì)以及目前材料力學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀作闡述。教師在教學(xué)工作中將軟件教學(xué)作為教學(xué)工作的一個(gè)重點(diǎn)來抓，讓學(xué)生通過自身動(dòng)手實(shí)踐，對(duì)書中知識(shí)及原理有自身的領(lǐng)悟，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的專項(xiàng)技能。無論是從教師教學(xué)還是學(xué)生學(xué)習(xí)的角度來看，ANSYS軟件應(yīng)用都具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，是針對(duì)教學(xué)存在問題的有效解決途徑。教師要重視，學(xué)生也要重視，學(xué)校更應(yīng)該重視，從多方面為教學(xué)工作提供相應(yīng)的保障。

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