CAE模塊化教學研究

田建輝 程卓 馮孝周 孫金絹 韓興本

摘 要：文章針對傳統(tǒng)CAE分析課程教學中所存在的問題，打破“自下而上”的CAE教學模式，提出了“CAE模塊化”教學理論，建立了CAE模塊化教學方法和教學內容，并將模塊化教學應用于機械工程CAE分析課程教學實踐中，結果表明，CAE模塊化教學提高了教學質量，使CAE教學更加系統(tǒng)化，對CAE分析課程教學具有重要的參考價值。

關鍵詞：CAE模塊化；ANSYS；CAE教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）14-0096-03

Abstract： This paper analyzes the problems existing in the teaching of traditional CAE analysis and breaks the traditional 'bottom up' teaching model. Furthermore， it proposes the modular theory to CAE teaching. Meanwhile， a string of CAE teaching content and teaching methods are established. The modular teaching method is applied in the teaching practice of CAE analysis in Mechanical Engineering. The results indicate that the modular teaching method of CAE improves the quality of teaching and makes CAE teaching more systematic， showing important reference value for the teaching of CAE analysis.

Keywords： modular of CAE； ANSYS； teaching of CAE

一、概述

計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE），是利用計算機對復雜工程和產品的物理特性進行分析計算和優(yōu)化設計的一種近似數值分析方法[1]。隨著計算機技術的發(fā)展和不斷提高，CAE系統(tǒng)的功能和計算精度都有了很大的提高。CAE課程以大學物理，理論力學，材料力學，彈性力學，機械原理，機械設計等課程為基礎，將計算機科學與工程科學相互結合，相互滲透，是現代數字化模擬仿真的關鍵技術之一，它的出現和應用使傳統(tǒng)的設計和制造方法以及組織生產模式發(fā)生了深刻的變化。因此我國正需要掌握先進CAE技術的應用型技術人才[2]。CAE分析這門課程從機械工程的角度出發(fā)，為學生講述CAE的理論基礎，分析方法，及部分CAE軟件的使用技巧。這門課程教學的目的是使學生掌握CAE分析的理論基礎，具備對復雜工程和產品進行分析的能力。幾代人經過半個多世紀的研究，CAE分析已經發(fā)展為涉及物理方程，泛函分析，數值方法，軟件開發(fā)和工程應用等在內的一個綜合性學科，而其中的任何一塊內容又都涉及復雜理論背景的高等研究專題。如何通過相關課程設置，有效地培養(yǎng)學生的CAE分析能力和素質，這是工科教育教學面臨的一個新的挑戰(zhàn)，工程實踐的需求和CAE分析的學科交叉性和復雜性使得如何為機械專業(yè)的學生開設CAE分析課程，成為近年來相關教學研究和改革的重要課題，具有代表性的研究如曾攀[3，4]關于如何為機類本科生和研究生開設CAE分析的實踐教學，并翻譯引進和自主編寫一系列CAE教程[5]。

近年來，盡管工科教育對軟件應用類的課程進行了相關的教學改革活動，但是CAE傳統(tǒng)的教學模式仍然停留在“自下而上”的教學模式中，即分別從幾何建模、網格劃分、加載與求解、結果后處理開始，然后進行靜力學分析、非線性分析、動力學分析的過程。有些學者提出啟發(fā)討論式、互動式的教學方法[6]或者為了增強學生的學習主動性，有些學者提出將專業(yè)知識與軟件實踐相結合將培訓式教學引入實踐教學、以及以項目分析驅動課程教學的教學方式[7]。為了增強課堂的活躍氣氛，還有學者提出制作結合工程實例的教學課件、改革以往的課程考核方式[8]， 雖然這些改革也取得了一定的教學效果，但是大部分還處于傳統(tǒng)的教學模式之下，由于教學模式的本質沒有發(fā)生改變，所以在教學過程中不可避免的存在著以下的問題：

1. 由于傳統(tǒng)教學模式前面的教學內容較多，但學時有限，因此，靜力學之后的內容往往無法全面涉及，導致學生學到的知識支離破碎。

2. 學生接觸的有限元分析實例較少，導致學生的視野和知識面較為狹窄，動手實踐能力較弱。

3. 課堂教學氣氛較為沉悶，學生聽課積極性不高，與老師的互動性不強。

4. 學生難以用CAE知識去解決實際問題，無法將所學的知識與實際相結合。

針對當前傳統(tǒng)CAE教學中所存在的這些問題，為了對學生CAE分析能力的培養(yǎng)，更新教學思路和方法勢在必行，故本文提出了CAE模塊化教學的思想，幫助學生建立系統(tǒng)的知識體系，注重培養(yǎng)學生CAE分析的能力。

二、CAE模塊化教學理論

（一）CAE模塊化教學的內涵

CAE模塊化教學即根據CAE課程的固有特點，針對CAE課程的分析類型，以不同的分析模塊進行教學。將CAE分析劃分為幾大模塊，即靜力學分析模塊，非線性分析模塊，動力學分析模塊（包括模態(tài)分析、諧響應分析、瞬態(tài)動力學分析）等，針對每個模塊進行模塊化系統(tǒng)的學習，在每個模塊中包含了幾何建模，網格劃分，邊界條件的施加，求解以及結果后處理等CAE分析的步驟，區(qū)別于傳統(tǒng)的CAE教學模式。

（二）CAE模塊化教學內容

圖1和圖2分別給出了傳統(tǒng)的CAE教學模式和CAE模塊化教學模式的流程圖。

由圖1可見，學生要掌握的靜力學分析、非線性分析及動力學分析，首先要學習建模、網格劃分、加載求解、結果后處理等過程，然后才能接觸到完整的結構分析。而學生在整個CAE學習過程中將大量的時間投入到了前期的有限元模型處理階段，但在這一階段學生并未真正地接觸有限元分析的對象，只是在學習有限元分析過程中的某些步驟。由于學生沒有接觸到明確的對象分析，學習過程中學生容易產生枯燥厭倦的聽課情緒，而當最后講述靜力學分析、非線性分析、動力學分析（包括模態(tài)分析、諧響應分析、瞬態(tài)動力學分析）時由于課時限制，所講內容不能面面俱到，此時學生往往走馬觀花，不能專心學習。表面上看，該教學模式似乎合理，前期投入大量的時間學習有限元的分析步驟，為后續(xù)的分析環(huán)節(jié)做準備，但是當整門課程學習完后，學生的知識體系剛初步建立起來，由于學時的限制，學生真正地接觸結構分析環(huán)節(jié)必然大幅減少。這就不可避免地導致學生掌握的知識體系不太牢固，難以將所學習的知識運用到最終的結構分析中去，學習的知識支離破碎。

針對傳統(tǒng)CAE教學中所存在的問題，采用CAE模塊化的教學模式能節(jié)省教學時間，鞏固知識體系， CAE模塊化教學流程圖如圖2所示，由圖可見學生接觸教學直接從靜力學分析開始，然后到非線性分析，再到動力學分析，在學習過程中不可避免地要涉及到建模、劃分網格、加載求解和結果后處理等問題，從而實現了帶著問題去學習，提高了學生學習的思考積極性，節(jié)省了教學時間，并提高了教學效果。在CAE模塊化教學中，靜力學分析主要用來分析穩(wěn)態(tài)載荷所引起的系統(tǒng)或結構的位移、應力和應變力，很適合求解慣性及阻尼的時間相關作用對結構的影響并不明顯的問題，分析過程為建模、加載求解和結果后處理。非線性分析與靜力學分析步驟相同，所不同的是材料或結構出現了某種非線性相應問題。動力學分析與靜力學所不同的是結構在隨時間變化載荷下的動態(tài)響應問題，主要包括模態(tài)分析、諧響應分析、瞬態(tài)動力學分析。但其整個分析步驟與靜力學相似，也包含建模、加載求解和結果后處理等步驟。因此，無論是靜力學分析、非線性分析還是動力學分析，都有共同的分析步驟即建模、加載求解和結果后處理。CAE模塊化教學直接以靜力學分析模塊為基礎開始，再經過非線性分析模塊，到動力學分析模塊，當遇到建模、加載求解和結果后處理時，再一一為學生講述，從而做到了有限元前處理與分析問題的完全結合，避免了傳統(tǒng)CAE教學產生的知識零散破碎的情況。

在學生學習靜力學分析的過程時，由于學生并未按照傳統(tǒng)的CAE教學模式學習，所以學生剛開始并不了解CAE分析的步驟。靜力學分析模塊建模時，建模過程對于學生而言完全是一個陌生的概念，此時帶著靜力學分析目標為學生講解ANSYS建模，包括模型的生成步驟、坐標系工作平面的使用，學生學起來有目標，有對象，學習效果更佳。當學生建模完成后，前處理所涉及的內容自然已經學會。接著為學生再講述有限元模型的建立，生成網格的生成。在加載求解階段為學生講解與靜力學相關的邊界條件處理的內容，然后再講述查看結果，此過程完成時學生已經學會了采用CAE方法求解靜力學問題，這樣對于大量花在前處理階段的時間可以節(jié)省出來留給學生進行實踐，引領學生做更深入的靜力學分析實例，如連桿受力，圓孔應力集中效應等，非線性分析模塊以及動力學分析模塊與之類似。

顯而易見，將CAE分析分為三大模塊為學生進行授課教學，直接摒棄了傳統(tǒng)CAE教學模式的不足。在每個模塊中，按各自模塊的分析步驟進行授課，遇到具體的知識點再為學生詳細進行講解，雖然剛開始時學生對所認識到的新知識比較陌生，接受起來比較困難，但模塊化的教學方法也是由簡到難，當學生將靜力學分析這一基本的模塊掌握之后就可以建立CAE分析的體系框架，在靜力學分析的基礎上再學習其他兩個模塊，針對不同的分析問題由淺到深，不斷的在原有的知識體系上進行補充，不斷地完善，后面的兩個模塊學生學習起來也就比較輕松，通過大量的實例進行練習，既鞏固了學生的知識體系，又提高了學生的動手操作能力。起到了舉一反三的作用，從而解決了內容多、學時少的教學矛盾。

三、CAE模塊化教學實踐

以諧響應分析為例講解CAE模塊化的教學過程，圖3為諧響應分析CAE模塊化教學流程圖。在諧響應分析中，學生需要了解諧響應分析的應用，掌握使用不同的求解方法進行諧響應分析。

在對學生進行授課時，首先學生了解諧響應分析的應用條件，然后為學生講述諧響應分析的三種不同的求解方法，即Reduced法、Full 法、Mode Super position法以及各自的優(yōu)缺點。下面以Full法為例，為學生講述使用Full法進行諧響應分析的步驟。1. 建模，在該步驟中為學生講解如何指定文件名，分析標題，以及使用PREP7來定義單元類型、單元實常數、材料特性及幾何建模。2. 網格劃分，該步驟中講述網格劃分的技巧和方法。3. 加載求解，講述分析類型和選項、加載，指定載荷步選項并開始有限元求解。4. 查看結果和后處理，在該步驟中采用Post26和Post1查看結果和后處理。當上述步驟講述后學生也就掌握了諧響應分析的方法，并鞏固了前后處理的過程。

通過對傳統(tǒng)的CAE教學和模塊化CAE教學的對比可以發(fā)現：

CAE模塊化教學將CAE分析體系化和模塊化，針對每個模塊，既有共性的分析步驟又有特性分析過程，當學生學習完前一個模塊，再學習下一個模塊的分析時，就只需要在已有的分析步驟基礎之上進行更深層次的拓展與補充。例如學生學習靜力學分析時慣性及阻尼對結構影響不顯著，動力學分析與靜力學分析的主要區(qū)別是需要考慮慣性及阻尼對結構的影響，可見靜力學分析的學習是動力學分析的前提。當學生學習完靜力學分析之后再學習動力學分析時，靜力學所對應的分析步驟已經掌握，在學習動力學分析步驟時需要在原有的基礎之上進行拓展，學生不但可以很好地學習動力學分析而且還可以間接地不斷地對前面的知識進行回顧，使學生學習的知識更加牢固化和體系化。

通過開展CAE模塊化教學，并對課程的設置及教學方式作出相應的改革，對某校實驗班學生進行了CAE模塊化教學，從教學實踐和效果來看初步取得了較好的教學成果。

四、結束語

本文通過分析當前CAE教學過程中所存在的不足，根據CAE課程所固有的特點提出了CAE模塊化教學，并將之應用于實驗班進行教學取得了較好的教學成果并總結如下：

1. CAE模塊化教學將CAE分析模塊化，鞏固了學生的知識體系，對培養(yǎng)學生的動手實踐能力、拓寬學生的視野和知識面、提高學生的創(chuàng)新能力具有較大的推動作用。

2. 通過CAE模塊化教學，讓學生帶著問題去學習，將被動學習變?yōu)橹鲃訉W習，學生學習的積極性增強，既節(jié)省了教學時間又提高了教學效果。

3. 通過開展CAE模塊化教學，實踐證明教學效果良好，在一定程度上提高了CAE課程的教學質量，為今后CAE教學改革提供了較好的參考價值，同時也為CAE應用型技術人才的培養(yǎng)提高了一套教學模式。

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