鄭訓(xùn)臻

(長春建筑學(xué)院，吉林長春　130607)

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基于工程分析軟件的高校力學(xué)教學(xué)改革研究

鄭訓(xùn)臻

(長春建筑學(xué)院，吉林長春130607)

摘要:根據(jù)高校力學(xué)課程的特點和教學(xué)中存在的問題，結(jié)合多種可靠性較高的工程分析軟件在力學(xué)教學(xué)中的實例，從教學(xué)改革方面、提升教師自身專業(yè)素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生分析能力三方面，總結(jié)了工程分析軟件對高校力學(xué)教學(xué)的益處。

關(guān)鍵詞:有限元軟件，力學(xué)課程，教學(xué)改革

1　高校力學(xué)課程的特點及教學(xué)中存在的問題

1．1高校力學(xué)課程的特點

力學(xué)課程核心是“三大力學(xué)”，包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)，一般工程力學(xué)、土木工程、交通工程、橋梁工程等專業(yè)都會在培養(yǎng)計劃中安排這三門課程，而對于由這三大力學(xué)衍生出來的建筑力學(xué)、工程力學(xué)等一般安排在機(jī)械、工程管理、材料、建筑學(xué)等專業(yè)的培養(yǎng)計劃中，而對于水利、環(huán)境、暖通、給排水等專業(yè)還會安排流體力學(xué)課程。力學(xué)課程是大多數(shù)理工類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。學(xué)習(xí)力學(xué)課程的過程中，學(xué)生的分析能力、計算能力、想象能力都可以得到提升，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和空間感，上述這些能力的培養(yǎng)和提升對于學(xué)生自身專業(yè)課的學(xué)習(xí)有推動和鋪墊作用。

1．2力學(xué)教學(xué)中存在的問題

正是由于力學(xué)課程可以培養(yǎng)學(xué)生縝密的邏輯思維，使得力學(xué)課程對比其他的專業(yè)課體現(xiàn)出較高的難度。而且力學(xué)課程一般不小于60學(xué)時，持續(xù)時間較長，教師教授的內(nèi)容也較多，有些知識也比較抽象。比如，在理論力學(xué)中涉及的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)這兩部分就要求學(xué)生要有把靜止的圖示裝置想象出它們是如何運(yùn)動的，動起來以后又是什么樣子的能力;在材料力學(xué)的組合變形部分，學(xué)生要根據(jù)構(gòu)件的受力情況，想象出構(gòu)件發(fā)生兩種或兩種以上的變形后的大致情況，并分析出危險截面和危險點;在結(jié)構(gòu)力學(xué)的位移法這一部分，學(xué)生要能分析出所研究的桿系結(jié)構(gòu)大致的變形，以判斷桿段上是否有彎矩的存在。在教材上和大部分教師的課件中，學(xué)生看到的往往是工程問題的計算簡圖較多，而工程實例較少，靜止的圖示較多，動態(tài)的素材較少，造成學(xué)生對力學(xué)課程的學(xué)習(xí)感到無趣，不清楚學(xué)習(xí)力學(xué)的目的，不了解自己所學(xué)的力學(xué)知識能夠解決怎樣的工程實際問題，力學(xué)的相關(guān)課程無論是對于教授的教師還是接受知識的學(xué)生來說都充滿挑戰(zhàn)和探索。

2　常見有限元軟件運(yùn)用在力學(xué)教學(xué)中的實例

隨著多媒體技術(shù)已經(jīng)廣泛走進(jìn)高校課堂，同時很多可靠性較高的工程分析軟件不斷涌出，教師可以結(jié)合自己所擅長的研究領(lǐng)域和所要教授的力學(xué)知識對應(yīng)地將部分力學(xué)模型引入課堂，這不僅可以使學(xué)生真真正正地接觸到工程的實例，而且可以開闊學(xué)生的眼界，使學(xué)生認(rèn)識到教材和教師描繪的抽象的概念和定理在實際工程中可以發(fā)揮如此大的作用。下面結(jié)合不同應(yīng)用軟件模擬的實例，說明在力學(xué)教學(xué)中引入工程分析軟件的必要性和實用性。

2．1ANSYS有限元軟件運(yùn)用在桁架橋部分的實例

下承式簡支鋼桁架橋長72 m，每個節(jié)段為12 m，橋?qū)?0 m，高16 m。設(shè)橋面板為0．3 m厚的混凝土板。桁架桿件規(guī)格有三種，結(jié)構(gòu)為簡支桁架，跨中受一對集中載荷作用，各力大小為100 kN。通過ANSYS軟件可以很直觀、很方便的求出各個桿件的軸力(如圖1所示)、結(jié)構(gòu)的變形和位移以及結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析等相關(guān)的計算。桁架橋這部分的計算在理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、建筑力學(xué)、振動力學(xué)的課程中都有涉及。

圖1　各桿件的軸力云圖

2．2ABAQUS有限元軟件運(yùn)用在梁的彎曲部分的實例

混凝土材質(zhì)的簡支梁全長2．5 m，梁橫截面為矩形，高0．3 m，寬0．15 m，下部兩端有墊塊，上部距離梁兩端0．85處也有兩個小墊塊，小墊塊上有集中力的作用，集中力的大小為10 kN。運(yùn)用ABAQUS軟件可以在5 s的時間內(nèi)計算出此梁發(fā)生彎曲時的彎矩、變形(如圖2所示)、第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力、Mises應(yīng)力(如圖3所示)等云圖，直觀、快捷的找到危險截面和危險點，根據(jù)計算時間設(shè)置的不同，可以通過動畫的形式反映變形的過程，還可改變鋼筋骨架的形式，計算超筋梁和少筋梁的相關(guān)力學(xué)數(shù)據(jù)，三種情況進(jìn)行對比教學(xué)。關(guān)于梁的彎曲這部分是材料力學(xué)和工程力學(xué)課程的重點和難點。

圖2　梁的變形圖

2．3其他工程分析(計算)軟件在力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

FLUENT軟件是計算流體力學(xué)中應(yīng)用最為廣泛、最為可靠的商用軟件，它可以應(yīng)用于流體力學(xué)的教學(xué)中，比如滲流問題，流體空間流線和跡線的繪制等。Matlab軟件是比較成熟的數(shù)值分析軟件，它可以求解復(fù)雜的力學(xué)方程，形成二維或三維的曲線、圖像處理等，在理論力學(xué)教學(xué)中，運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)部分中有些力學(xué)方程求解比較復(fù)雜，但是Matlab通過可視化的交互界面為求解方程

圖3　梁的Mises應(yīng)力云圖

Flac3D軟件的應(yīng)用可以嵌入土力學(xué)中對于邊坡穩(wěn)定性這部分的講授中，土力學(xué)的課程計算一般以迭代為主，計算量較大，占用課堂時間較長，引入軟件來講解工程實例，有助于提高教學(xué)效果和效率［3］。此外，“BIM建筑信息模型”在最近幾年迅速發(fā)展，在此模型中可以反映建筑全壽命周期中的所有信息，突破傳統(tǒng)圖紙的二維設(shè)計和不同階段數(shù)據(jù)流通和修改的障礙，協(xié)調(diào)性好，模擬性高，隨著BIM的不斷擴(kuò)充和完善，引入力學(xué)課堂的日子指日可待。

將工程分析軟件應(yīng)用到高校力學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢是顯而易見的，一方面，這種教學(xué)方式可以將比較抽象的力學(xué)概念直接地展示給學(xué)生，如內(nèi)力、應(yīng)力、變形情況等，而且大部分軟件都可以形成動畫，使原本枯燥的力學(xué)問題變得“有聲有色”;另一方面，軟件的運(yùn)用在提高教學(xué)效果、活躍課堂氣氛的同時，還可以提高課堂上的時間利用率，豐富教學(xué)內(nèi)容;最后，工程分析軟件的引入讓學(xué)生初步接觸了相對較陌生的領(lǐng)域，使學(xué)生看到自身專業(yè)未來會接觸的更廣闊的天地，增強(qiáng)學(xué)生對日后專業(yè)課的好奇心。

3　工程分析軟件在力學(xué)教學(xué)中的作用

3．1對于教學(xué)改革方面的作用

力學(xué)教學(xué)的難點在于課程內(nèi)容的抽象性，邏輯性強(qiáng)，理論知識較為復(fù)雜，學(xué)生理解起來比較困難，學(xué)習(xí)力學(xué)目的較為模糊等。而在力學(xué)教學(xué)中若能引入工程實際問題或利用工程分析軟件演示較為簡單的力學(xué)模型，不僅使這門專業(yè)基礎(chǔ)課更加貼近工程實際，展示力學(xué)用于研究中發(fā)揮的實際作用，而且豐富教學(xué)內(nèi)容，比如構(gòu)件(結(jié)構(gòu))變形的過程可以用動畫展示，使學(xué)生更加體會到學(xué)習(xí)的目的不是應(yīng)付考試，而是可以實實在在的解決工程實際問題。但是應(yīng)該注意引入課堂的教學(xué)案例的選取不宜過難，計算時間不宜過長。還可以將工程計算軟件的分析引入到力學(xué)第二課堂，比如我校每年開展的“雞蛋的完美下落”力學(xué)趣味競賽和“紙橋結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽”，在用實物制作之前，學(xué)生可以根據(jù)軟件里模型便于修改、省時、省力、省財?shù)奶匦裕谜莆盏姆治鲕浖土W(xué)知識對預(yù)制作的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算，找到最適合的包裝方法或結(jié)構(gòu)形式，找到將力學(xué)理論的知識和軟件操作能力轉(zhuǎn)化為解決實際問題的途徑。

3．2對于培養(yǎng)學(xué)生能力方面的作用

將工程分析軟件引入力學(xué)課堂，首先，可以增長學(xué)生的見識、開闊眼界，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)的好奇心和邏輯分析能力，使學(xué)生了解自己學(xué)到的力學(xué)知識是如何運(yùn)用到實際工程中的，如何解決工程中遇到的問題的;其次，可以在力學(xué)理論課程之外增設(shè)相關(guān)課程的設(shè)計課程，由教師設(shè)計出簡單的題目，由學(xué)生自愿組成課題小組，使用教師給出的參考軟件自學(xué)完成題目，力學(xué)教師可以給予適度的指導(dǎo)來幫助學(xué)生，在學(xué)生完成題目的過程中提高學(xué)生自學(xué)的能力、研究問題的能力、遇到困難獨(dú)自解決的能力，為研究生階段學(xué)習(xí)做鋪墊;最后，上述過程有效地提高了學(xué)生工程分析軟件的操作能力，大部分工程分析軟件基于有限元的理論，大體的建模思路相同，通過掌握一個軟件的建模過程，學(xué)生可以觸類旁通地學(xué)習(xí)其他分析軟件。

3．3對于教師自身專業(yè)素養(yǎng)方面的作用

將工程分析軟件引入到力學(xué)教學(xué)中這一措施，可以督促教師站在自身所學(xué)專業(yè)的角度學(xué)習(xí)較新的軟件知識、更新專業(yè)知識，可以倒逼教師不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)，在提倡培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的背景下，跟上時代的發(fā)展，做到與時俱進(jìn)，只有教師能夠把學(xué)科最前沿的知識融入課堂、傳授給學(xué)生，才能有助于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，有助于學(xué)生打開學(xué)習(xí)力學(xué)的思路，明確學(xué)習(xí)力學(xué)的目的，一改以往學(xué)生對力學(xué)學(xué)習(xí)的抵觸心理，對于教師自身來說，不僅豐富了教學(xué)方法，而且有助于提升科研能力，一舉兩得。

4　結(jié)語

隨著科技時代的迅猛發(fā)展，工程分析軟件融入力學(xué)教學(xué)是必然趨勢。高校力學(xué)教師承擔(dān)著力學(xué)教學(xué)改革的重大課題，并且有責(zé)任讓學(xué)生在力學(xué)課堂上接觸到前沿的工程問題和解決問題的方法，這不僅可以使學(xué)生明白掌握力學(xué)知識的目的，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)的興趣，使枯燥的力學(xué)課堂變得生動，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，同時可以鍛煉學(xué)生自學(xué)工程分析軟件，培養(yǎng)學(xué)生遇到實際問題如何進(jìn)行力學(xué)分析和應(yīng)用軟件解決的能力。將工程分析軟件引入力學(xué)教學(xué)這一舉措，無論在課堂教學(xué)上還是在第二課堂的應(yīng)用中都取得了不錯的反響。

參考文獻(xiàn):

［1］張麗，白晶，王相和．Matlab軟件在力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］．產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2011，10(9):148-150．

［2］邵小軍，劉永壽，岳珠峰．談工科理論力學(xué)教學(xué)中數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用［J］．力學(xué)與實踐，2007，5(29):68-69．

［3］王宇輝．巖土工程分析軟件在本科土力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］．山西建筑，2015，34(41):236-238．

［4］鄭捷慶，鄒鋒，張軍．CFD軟件在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］．中國現(xiàn)代教育裝備，2007(10):119-121．

中圖分類號:G642．0

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0252-02

收稿日期:2016-04-09

作者簡介:鄭訓(xùn)臻(1987-)，女，助教帶來方便，此軟件可以用于求解勢能曲線問題、碰撞問題等，尤其是非線性的問題［1，2］。

Reform research of mechanical teaching based on the software of engineering analysis in colleges

Zheng Xunzhen
(Architectural Institute of Changchun，Changchun 130607，China)

Abstract:In this paper，according to the characteristics of the mechanics course in colleges and the problems of the existing in teaching，combined with mechanics teaching examples of a variety of high reliability engineering analysis software，from the aspects of reform of teaching，improve teachers’professional accomplishment，the analysis ability to the student，sum up which is the benefit of mechanics teaching．

Key words:finite element software，mechanics course，teaching reform