融入CAE技術(shù)的力學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用研究

張潔 馬魁 趙松 顏紅專

摘 要

本文概述了武昌工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院力學(xué)實(shí)踐課程的基本情況，介紹了力學(xué)實(shí)踐課程存在的問題，并對(duì)出現(xiàn)問題的原因進(jìn)行分析，從課程考核、實(shí)踐內(nèi)容和教學(xué)手段三方面提出了力學(xué)實(shí)踐課程的改革，最后舉例說明力學(xué)實(shí)踐教學(xué)。

關(guān)鍵詞

力學(xué)課程;實(shí)踐教學(xué);CAE技術(shù)

中圖分類號(hào)： G712;TB12-4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.012

Abstract

This article summarizes the wuchang engineering institute of urban construction mechanics basic situation of practical courses，this paper introduces the mechanics problems of practical courses，and analyzes the reasons of problems，from the course assessment content and teaching method，practice three aspects proposed the mechanical practice curriculum reform，finally illustrates mechanics teaching practice.

Key Words

Mechanics course;Practical teaching;CAE technology

0 前言

武昌工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院土木工程專業(yè)、工程管理專業(yè)和工程造價(jià)專業(yè)都開設(shè)了力學(xué)課程，其中土木工程專業(yè)開設(shè)了理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)三門力學(xué)課程，理論力學(xué)總學(xué)時(shí)是56，其中理論學(xué)時(shí)56，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)0;材料力學(xué)總學(xué)時(shí)72，其中理論學(xué)時(shí)56，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)16;結(jié)構(gòu)力學(xué)總學(xué)時(shí)80，其中理論學(xué)時(shí)72，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)8。力學(xué)課程總學(xué)時(shí)208，實(shí)踐課程課時(shí)占比不到20%，在力學(xué)的教學(xué)過程中，講授的理論課程占了絕大部分時(shí)間，而提高學(xué)生動(dòng)手能力的實(shí)踐教學(xué)卻很少。通過力學(xué)實(shí)踐課程可以促進(jìn)對(duì)理論知識(shí)的理解，掌握力學(xué)實(shí)踐的基本步驟，基本方法和目標(biāo)，提高學(xué)生的動(dòng)手和組織能力，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生解決、分析問題的能力都起到重要的作用。

1 現(xiàn)有力學(xué)實(shí)踐課程中存在的問題

1.1 實(shí)踐課程考核方式的問題

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)成績和結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)踐成績不單獨(dú)作為課程考核，只占課程平時(shí)成績的10%，即使學(xué)生次次曠課，也能參加期末考試，并且取得學(xué)分;再者，實(shí)踐成績中實(shí)驗(yàn)報(bào)告與考勤各占50%，沒有體現(xiàn)操作過程的分值，這樣導(dǎo)致學(xué)生無故缺勤實(shí)驗(yàn)課，或者不自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)踐課程內(nèi)容設(shè)置的問題

材料力學(xué)的實(shí)驗(yàn)主要有軸向拉壓實(shí)驗(yàn)、剪切實(shí)驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，這四個(gè)實(shí)驗(yàn)全部為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn);沒有綜合性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和開放性實(shí)驗(yàn)。在教師講授實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上按照實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)理論力學(xué)知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)過程沒有體現(xiàn)學(xué)生的主動(dòng)性，激發(fā)不了學(xué)生的創(chuàng)造力和學(xué)習(xí)的積極性。

結(jié)構(gòu)力學(xué)的實(shí)踐課程采用計(jì)算機(jī)，應(yīng)用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行桁架結(jié)構(gòu)仿真分析、連續(xù)梁結(jié)構(gòu)仿真分析、框架結(jié)構(gòu)仿真分析以及影響線及內(nèi)力包絡(luò)圖分析。結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)踐課程建立的計(jì)算模型是以力學(xué)的計(jì)算簡圖為依據(jù)，脫離了工程實(shí)踐。

力學(xué)具有公式難度大，知識(shí)點(diǎn)多，力學(xué)概念難理解的特點(diǎn)，很多同學(xué)掌握不了力學(xué)的基本知識(shí)，即使有部分同學(xué)在考試中取得了比較高的成績，這些同學(xué)只是就是論題，無法處理實(shí)際工程的問題。力學(xué)實(shí)踐課程在力學(xué)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行內(nèi)力、應(yīng)力和變形計(jì)算，對(duì)于工程實(shí)際項(xiàng)目怎么簡化成力學(xué)計(jì)算模型并未展開教學(xué)，所以培養(yǎng)出來的學(xué)生只會(huì)對(duì)著力學(xué)計(jì)算簡圖進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)于實(shí)際工程項(xiàng)目的問題卻不知從何下手。

1.3 教學(xué)手段

現(xiàn)有力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備只有材料力學(xué)萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，由一個(gè)設(shè)備完成軸向拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲四個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，一個(gè)自然班有將近30人，5臺(tái)儀器，5-6個(gè)人為一組進(jìn)行材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，其中每組學(xué)生只有一個(gè)同學(xué)有操作的機(jī)會(huì)，一個(gè)同學(xué)進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制，其他同學(xué)進(jìn)行旁觀，共用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告即可。

2 實(shí)踐課程改革

2.1 實(shí)踐課程的考核改革

力學(xué)的實(shí)踐課程單獨(dú)作為一門課程，編制力學(xué)實(shí)踐課程的大綱、進(jìn)度計(jì)劃和任務(wù)落實(shí)表，力學(xué)實(shí)踐課程的考核成績由考勤，實(shí)踐報(bào)告，操作成績綜合給出，增加操作成績的比重，減少考勤和實(shí)踐報(bào)告成績的占比，注重實(shí)踐的動(dòng)手操作能力。最終確定的考核成績=考勤（20%）+實(shí)踐報(bào)告（20%）+操作成績（60%）。

2.2 實(shí)踐內(nèi)容改革

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可以增加組合變形、偏心拉伸、偏心壓縮、雙彎曲以及壓桿穩(wěn)定，要求學(xué)生按照知識(shí)儲(chǔ)備以及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的目標(biāo)、要求和步驟，可能遇到的問題以及解決方案，這樣可以激發(fā)學(xué)生想象力和創(chuàng)造力，提高學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析以及處理問題的能力。

加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，結(jié)合工程實(shí)際和專業(yè)實(shí)際，使基礎(chǔ)理論知識(shí)與專業(yè)技能對(duì)接，通過仿真實(shí)踐課拓展專業(yè)課的教學(xué)空間，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增加教與學(xué)的互動(dòng)性，使學(xué)生更多地了解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)過程，從而更深刻地理解所學(xué)力學(xué)課程內(nèi)容;通過數(shù)值仿真計(jì)算和結(jié)構(gòu)力學(xué)中解析法（力法、位移法），驗(yàn)證所學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法的正確性;對(duì)電算原理及有限元理論有初步認(rèn)識(shí)，并開始初探性學(xué)習(xí)。比如，橋梁方向的學(xué)生，結(jié)合橋梁工程的發(fā)展現(xiàn)狀，按照橋梁類型布置實(shí)踐任務(wù)，學(xué)生了解工程背景和橋梁組成和構(gòu)造施工圖的基礎(chǔ)上，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算簡圖的簡化，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析;以橋梁施工為背景，進(jìn)行橋梁構(gòu)件吊裝施工和模板施工的力學(xué)分析。在結(jié)構(gòu)力學(xué)分析時(shí)，結(jié)合Midas軟件和PKPM軟件，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)建模分析能力。

2.3 教學(xué)手段改革

依靠現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件完成驗(yàn)證性和綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有時(shí)會(huì)不具備相應(yīng)的條件，如果單純依靠實(shí)驗(yàn)設(shè)備去完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，投入成本就會(huì)大大地提高，權(quán)衡成本與教學(xué)效果之間的關(guān)系，可以引入CAE技術(shù)，利用ANSYS軟件進(jìn)行建模計(jì)算，向?qū)W生演示計(jì)算結(jié)果。采用ANSYS模擬，按照試件確定材料的彈性模量，泊松比和密度，通過加載求解后，得出試件的變形和應(yīng)力變化過程，并將過程演示給學(xué)生，既可以使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，又可以發(fā)揮現(xiàn)有計(jì)算機(jī)技術(shù)的功能。

3 實(shí)踐課程改革實(shí)例介紹

引入實(shí)際工程橋梁，提供橋梁的工程概況，地質(zhì)水文條件，自然條件，從軸線、結(jié)點(diǎn)、支座、荷載四個(gè)方面將橋梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為力學(xué)的計(jì)算簡圖，在力學(xué)計(jì)算簡圖的基礎(chǔ)上，通過有限元軟件建立計(jì)算模型，分析橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算簡圖如圖1所示。

3.1 ANSYS軟件介紹

ANSYS軟件是由美國開發(fā)的融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，能與CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。軟件主要由前處理模塊（PREP7）、求解模塊（SOLUTION）和后處理模塊（POST1，POST26）三部分組成;前處理模塊可以由實(shí)體建模和網(wǎng)絡(luò)劃分兩部分組成，求解模塊可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，其中分析類型有結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱分析、電磁場分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、聲場分析和壓電分析。

3.2 數(shù)值分析

利用ANSYS軟件進(jìn)行連續(xù)梁有限元模型建立時(shí)，采用beam4梁單元結(jié)構(gòu)單元類型，梁采用C50混凝土，彈性模型為3.45e7kpa，泊松比為0.2，主梁截面的實(shí)常數(shù)定義為“r，1，0.06， 0.0002，0.00045，0.3，0.2，，rmore，，0.00065”，梁的單元長度為1m。

在連續(xù)梁模型建立的基礎(chǔ)上進(jìn)行加載，開始連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的求解，定義單元表命令“ETABLE，A2，SMISC，2”和“ETABLE，A8，SMISC，8”，采用命令“PLLS，A2，A8”繪制剪力圖;定義單元表命令“ETABLE，A6，SMISC，6”和“ETABLE，A12，SMISC，12”，采用命令“PLLS，A6，A12”繪制彎矩圖。連續(xù)梁的彎矩圖、剪力圖如圖2所示。

由（a）圖可以看出，原點(diǎn)處的截面彎矩為正的最大彎矩，其值為12.85;距原點(diǎn)8.72米處截面彎矩為負(fù)的最大值，其值為6.86。由（b）圖可以看出，原點(diǎn)處的截面剪力值為-12.43kN，為負(fù)的最大剪力值;在距原點(diǎn)6米的截面剪力值由11.57kN突變至-5.93kN，其中11.57kN為正的最大剪力; 在距原點(diǎn)9米的截面剪力值由-5.93kN突變至2.42kN，其中2.42kN為最小的剪力值。剪力圖和彎矩圖的總體形狀可以看出，均布荷載作用下彎矩圖為拋物線，剪力圖為斜直線;集中荷載會(huì)引起剪力圖的突變，彎矩圖出現(xiàn)尖角;在截面剪力為零時(shí)，彎矩出現(xiàn)極值。

3.3 結(jié)果對(duì)比分析

通過力法計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，將得到的內(nèi)力計(jì)算值與ANSYS軟件計(jì)算的內(nèi)力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果完全一致。

4 總結(jié)

基于CAE技術(shù)的力學(xué)實(shí)踐教學(xué)，不僅保證力學(xué)實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)的完成，并且使學(xué)生進(jìn)一步提升自身的專業(yè)技能和實(shí)踐水平，為學(xué)生和就業(yè)市場搭建了良好的平臺(tái)，提升學(xué)生的就業(yè)能力，拓展學(xué)生的實(shí)踐范圍和就業(yè)范圍。

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