呂 尤，明 哲，辛志遐，張彥民，郎豐饒

（吉林農(nóng)業(yè)科技學院機械工程學院，吉林132101）

淺談計算機軟件與“理論力學”相結(jié)合的教學探索

呂 尤，明 哲，辛志遐，張彥民，郎豐饒

（吉林農(nóng)業(yè)科技學院機械工程學院，吉林132101）

隨著科學技術(shù)發(fā)展水平的不斷提高，理論力學作為一門經(jīng)典力學課程，無論是板書式的教學方式，還是多媒體式的教學方式，都無法充分展現(xiàn)理論力學課程所講授內(nèi)容的理想效果，亟需更加先進的教學手段。本文著重研究MSC. NASTRAN、PRO/E和ANSYS/LS-DYNA等計算機軟件與理論力學課程中的靜力學、運動學和動力學的教學內(nèi)容相結(jié)合，采用此種教學手段，使得理論力學課程中抽象的教學內(nèi)容能夠更加具體和直觀地展示在學生面前，進而極大地提高了學生的理解能力和學習效率，獲得了良好的教學效果。

計算機軟件；理論力學；教學方法；教學效果

1　引言

隨著科學技術(shù)發(fā)展水平的不斷提高，高校課程的教學方法、教學手段和教學內(nèi)容也在隨之發(fā)生改變［1］。理論力學課程是所有工科類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，傳統(tǒng)的教學方式是通過板書的形式進行講授。近年來，隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的飛速發(fā)展，多媒體作為一種新興的教學方式也悄然興起，并逐漸取代了“板書”，成為理論力學課程最主要的授課方法。本文著重研究MSC.NASTRAN、PRO/E和ANSYS/LS-DYNA等計算機軟件與理論力學課程中的靜力學、運動學和動力學的教學內(nèi)容相結(jié)合，進而完成教學手段改進和教學效果提高的有益探索。

2　靜力學與MSC.NASTRAN軟件相結(jié)合

2.1MSC.NASTRAN軟件簡介

MSC.NASTRAN是一個通用的有限元商業(yè)軟件，它為用戶提供了方便的模塊化功能選項，其主要功能模塊包括：基本分析模塊（含有靜力、模態(tài)、屈曲、熱應力、流-固耦合以及數(shù)據(jù)庫管理等）、動力學模塊、熱傳導模塊、非線性分析模塊、設(shè)計靈敏度分析以及優(yōu)化模塊、超級單元分析模塊、氣動彈性分析模塊、DMAP用戶開發(fā)工具模塊以及高級對稱分析模塊。除了模塊化之外，MSC. NASTRAN還可以按照解題規(guī)模，在10 000節(jié)點到無限個節(jié)點范圍之內(nèi)，根據(jù)不同的節(jié)點數(shù)，形成解題規(guī)模大小不同的軟件版本。

2.2靜力學與MSC.NASTRAN軟件的結(jié)合方式

在理論力學課程的第一部分內(nèi)容——靜力學中，研究了物體在力系作用下的平衡規(guī)律，主要內(nèi)容包括物體的受力分析、力系的等效替換或簡化、建立各種力系的平衡條件等［2］。靜力學涉及到各種類型的力的作用，包括“約束”與構(gòu)件之間，構(gòu)件與構(gòu)件之間，構(gòu)件與載荷之間，其中載荷又有主動力和均布載荷之分，在學生進行學習的過程中，往往只能依靠想象來揣測各種力的作用情況和作用效果，而部分理解能力較差的同學則難以弄懂靜力學課程所講授的內(nèi)容。根據(jù)有限元的理論知識，可以在MSC.Patran軟件中構(gòu)建各種“約束”和構(gòu)件有限元計算模型，并施加載荷和設(shè)置邊界條件，再將其導入到MSC.NASTRAN軟件中進行求解，這樣一來，一方面能夠?qū)⒕唧w的工程問題按照工程分析要求轉(zhuǎn)化為有限元模型，進行分析與求解，更為重要的是，能夠使得學生從理論力學的角度更加深入地理解研究對象的工作原理，這對以后學生學習其他力學課程，以及未來從事工程設(shè)計工作都具有重要的指導意義。

3 運動學與PRO/E軟件相結(jié)合

3.1PRO/E軟件簡介

PRO/E是由美國PTC公司研發(fā)的一套三維CAD/CAM參數(shù)化軟件系統(tǒng)，其內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計、工業(yè)造型設(shè)計、三維模型設(shè)計、分析計算、動態(tài)模擬與仿真、工程圖輸出，到生產(chǎn)加工成產(chǎn)品的全過程、其中包含了大量的電纜、管道布線、模具設(shè)計與分析等實用模塊，應用范圍涉及航空行體、汽車、機械、數(shù)控（NC）加工、電子等諸多領(lǐng)域。

3.2運動學與PRO/E軟件的結(jié)合方式

在理論力學課程的第二部分內(nèi)容——運動學中，其內(nèi)容主要是從幾何的角度研究物體的運動，包括物體的運動軌跡、運動方程、速度、加速度、角速度、角加速度等［3］。物體在力的作用下的運動規(guī)律是一個十分復雜的問題，因此，在運動學中不考慮物體運動的物理因素，這就為理論力學第三部分——動力學內(nèi)容的學習打下了良好的基礎(chǔ)。但是，教材中的例題和習題都是靜止的，學生只能憑空想像物體的運動狀態(tài)。通過PRO/E軟件的應用，可以構(gòu)建各個構(gòu)件的物理模型，在各個模型的關(guān)鍵節(jié)點上設(shè)置伺服電動機和邊界條件，從而，能夠讓整個物體系統(tǒng)的運動狀態(tài)直觀地展現(xiàn)在學生面前，極大地提高了學生對運動學所講授內(nèi)容的理解能力。

4　動力學與ANSYS/LS-DYNA軟件相結(jié)合

4.1ANSYS/LS-DYNA軟件簡介

ANSYS/LS-DYNA是世界上最著名的通用顯式非線性動力分析程序，能夠模擬真實世界的各種復雜的非線性（包括大位移、大轉(zhuǎn)動和大應變）、材料非線性（包括140多種材料的動態(tài)模型）和接觸非線性（含50多種）問題，特別適合求解各種二維和三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸后金屬成形等非線性動力學沖擊問題，同時可以求解傳熱、流體、以及流固耦合問題。

4.2動力學與ANSYS/LS-DYNA軟件結(jié)合方式

在理論力學課程的第三部分內(nèi)容——動力學中，其內(nèi)容主要是物體的機械運動與作用力之間的關(guān)系。靜力學研究了作用于物體上的力，運動學研究了物體的運動而忽略了力的作用，然而，動力學卻對物體的機械運動進行了全面的分析，建立了物體機械運動的普遍規(guī)律［4］。動力學的形成和發(fā)展是與工程應用緊密相連的，尤其是對于科學技術(shù)飛速發(fā)展的當下，為動力學提出了許多極其復雜而嚴峻的課題，例如：高速運轉(zhuǎn)機械的動力計算、高層結(jié)構(gòu)建筑受到風載荷及地震的影響、宇宙飛船及火箭推進技術(shù)、以及機械人的動態(tài)特性等，這些問題都需要應用動力學的相關(guān)理論知識作為支撐，方可進行分析與解決。在動力學中，最難以理解和最為常見的內(nèi)容是能量的傳遞和轉(zhuǎn)換過程，如何讓“能量”這一看不見且摸不著的抽象概念具體化，使得學生能夠更快地理解和掌握能量的轉(zhuǎn)換規(guī)律，就需要借助ANSYS/LS-DYNA軟件的幫助。通過ANSYS/LS-DYNA軟件的應用，將質(zhì)點或剛體相互作用過程中的能量轉(zhuǎn)化以應力和應變的形式表現(xiàn)出來，由應力圖和應變圖的動畫演示，學生可以清楚地觀察能量傳遞的全過程，從而，實現(xiàn)了理論力學內(nèi)容與材料力學內(nèi)容的有效銜接，為學生未來學習材料力學課程奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。

［1］李秀芬.“理論力學”教學體系、教學內(nèi)容及教學方法的改革與實踐［J］.樂山師范學院學報，2011（26）：115-117.

［2］楊志安.“理論力學”教學中的學科滲透與融合［J］.唐山學院學報，2013，26（01）：83-90.

［3］張素穎.MasterCAM軟件在理論力學中的應用［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2008（18）：153-154.

［4］刑利英，王新征.工科理論力學教學改革與實踐［J］.南陽師范學院學報，2010（9）：107-109.

責任編輯：吳艷玲

Exploration of Teaching on the Combination of Computer Software and“Theoretical Mechanics”

LV You，MING Zhe，XIN Zhixia，ZHANG Yanmin，LANG Fengrao
（Jilin Agriculture Science and Technology University School of Mechanical Engineering，Jilin 132101）

With the rapid development of science and technology level，the theoretical mechanics as a classical mechanics course，whether it is writing on the blackboard style for teaching method，or multimedia type for teaching method，it can not fully show the ideal effect of theoretical mechanics course teaching content. So，the theoretical mechanics needs more advanced teaching method.This thesis focuses on the study of the combination of MSC.NASTRAN，PRO/E and ANSYS/LS-DYNA computer software and theory courses of theoretical mechanics，including statics，kinematics and dynamics.By adopting this teaching means，it makes the teaching content of theoretical mechanics course more concrete and intuitive in front of the students，which greatly improves the students understanding ability and learning efficiency，finally it obtains excellent teaching effect.

computer software；theoretical mechanics；teaching method；teaching effect

O31-4；TP319

A

2015-06-03

呂 尤（1983-），男，吉林省吉林市人，講師，從事仿生科學與工程研究。