陳東陽 顧超杰 芮筱亭

摘? 要：在工程力學(xué)課程中引入計算機仿真技術(shù)，為工程力學(xué)教學(xué)帶來更多的形式，同時可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及幫助學(xué)生理解工程力學(xué)中的關(guān)鍵問題，從而獲得更好的教學(xué)效果。本文從高速發(fā)展的計算機仿真技術(shù)背景下的工程力學(xué)教學(xué)改革的意義出發(fā)，探討了有限元商業(yè)軟件ANSYS Workbench在工程力學(xué)教學(xué)中的角色、改革途徑和方法。實踐證明，通過在課程教學(xué)中插入ANSYS Workbench仿真教學(xué)可以幫助學(xué)生更好掌握相關(guān)的工程力學(xué)知識，并增強學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞：工程力學(xué)? ANSYS Workbench? 計算機仿真技術(shù)? 教學(xué)探索

Abstract： The introduction of computer simulation technology into the engineering mechanics course can bring more forms for the engineering mechanics teaching. It can improve students' interest in learning and help students understand the key problems in engineering mechanics， so as to achieve better teaching results. Based on the significance of Engineering Mechanics Teaching Reform under the background of high-speed development of computer simulation technology， the role， reform approach and method of ANSYS Workbench in engineering mechanics teaching are discussed in this paper. It has been proved that the simulation teaching of ANSYS Workbench can help students master the relevant knowledge of Engineering Mechanics and enhance their innovative thinking and consciousness.

Key Words： Engineering mechanics; ANSYS Workbench; Computer simulation technology; Teaching exploration

揚州大學(xué)電氣與能源動力工程學(xué)院主要是由新能源、能源動力工程、電氣工程等專業(yè)的學(xué)生組成。工程力學(xué)作為一門理工科專業(yè)基礎(chǔ)課程，是學(xué)生們后續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識，掌握專業(yè)技能以及考研升學(xué)的重要知識基礎(chǔ)。因此，掌握和熟練運用工程力學(xué)課程的主要知識至關(guān)重要。

工程力學(xué)涉及眾多的力學(xué)學(xué)科分支與廣泛的工程技術(shù)領(lǐng)域，一般主要由靜力學(xué)和材料力學(xué)兩部分內(nèi)容組成，是一門理論性較強、與工程技術(shù)聯(lián)系極為密切的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科[1-2]。工程力學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)既要把握市場對該專業(yè)人才在知識、能力等方面的需求，更要考慮專業(yè)的長遠可持續(xù)發(fā)展[3-5]。工程力學(xué)課程具有理論性強、課程艱深、課時相對較少的特點，但是工程力學(xué)的定理、定律和結(jié)論廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的工程技術(shù)中，是解決工程實際問題的重要基礎(chǔ)。同學(xué)們在學(xué)習(xí)該課程過程中覺得工程力學(xué)課程中有很多概念理論性強，公式推導(dǎo)較多，較難理解，且學(xué)習(xí)過后容易忘記等問題。同時，相比傳統(tǒng)的教學(xué)方法，工程力學(xué)教學(xué)中存在教學(xué)形式單一、教學(xué)內(nèi)容缺乏工程實踐性等缺點。

為了解決上述問題以及適應(yīng)能源動力類專業(yè)本科教學(xué)的要求，將基于有限元商業(yè)軟件 ANSYS Workbench的計算機仿真技術(shù)運用到該學(xué)科的教學(xué)過程中，為工程力學(xué)教學(xué)帶來更多的形式[6-7]。有限元仿真在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都得到了廣泛應(yīng)用，培養(yǎng)有限元仿真技能已成為新工科人才培養(yǎng)中不可缺少的環(huán)節(jié)[8]。通過教學(xué)改革對傳統(tǒng)的工程力學(xué)教學(xué)方法和內(nèi)容進行適當(dāng)優(yōu)化，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及幫助學(xué)生理解工程力學(xué)中的關(guān)鍵問題，從而獲得更好的教學(xué)效果。對于提高能源動力類專業(yè)大學(xué)生工程綜合素質(zhì)和培養(yǎng)創(chuàng)新能力方面都具有重要的意義[9-10]。

1? 有限元商業(yè)軟件ANSYS Workbench特點與應(yīng)用

ANSYS Workbench軟件是ANSYS公司旗下的大型多物理場耦合分析平臺，即協(xié)同仿真平臺。ANSYS Workbench仿真平臺能夠?qū)?fù)雜機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、剛體動力學(xué)、流體動力學(xué)、結(jié)構(gòu)熱、電磁場以及耦合場等進行數(shù)值仿真模擬。

基于Workbench的仿真環(huán)境有三點與傳統(tǒng)仿真環(huán)境有所不同：

客戶化：根據(jù)用戶的產(chǎn)品研發(fā)流程特點開發(fā)實施形成仿真環(huán)境;

集成性：Workbench把求解器看作一個個組件，不論由哪個CAE公司提供的求解器都是平等的，在Workbench中經(jīng)過簡單開發(fā)都可直接調(diào)用;

參數(shù)化：Workbench對CAD系統(tǒng)的關(guān)系不同尋常。它不僅直接使用異構(gòu)CAD系統(tǒng)的模型，而且建立與CAD系統(tǒng)靈活的雙向參數(shù)互動關(guān)系;

概括的講，ANSYS Workbench平臺下有很多求解器，可以求解大多數(shù)常見的力學(xué)問題。學(xué)生使用這款軟件進行力學(xué)分析的好處是可以在該平臺下直接完成幾何建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置以及求解后處理。該軟件平臺相比傳統(tǒng)的軟件操作方法簡單、易學(xué)易懂。同時，該平臺可以實現(xiàn)多個模塊的連接，進行多物理場耦合仿真。例如，在結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真上加上流體仿真，將流體的載荷加到結(jié)構(gòu)上，可以實現(xiàn)流固耦合仿真。

此處，介紹了有限元商業(yè)軟件ANSYS Workbench的強大功能的同時，也必須強調(diào)ANSYS Workbench軟件作為一個分析工具的局限性。強大的軟件給學(xué)習(xí)、科研、設(shè)計等工作提供便捷，但絕不能忽視基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，過度依靠、依賴國外開發(fā)的商業(yè)軟件。

2? 探索教學(xué)改革的途徑和方法

2.1 基于計算機仿真技術(shù)的工程力學(xué)課程改革

實踐中對工程力學(xué)課程的傳統(tǒng)教學(xué)方法做以下改革：

（1）在講授工程力學(xué)課程的靜力學(xué)部分，重點打好學(xué)生對構(gòu)件進行受力分析的基礎(chǔ)，不講授商業(yè)軟件ANSYS Workbench使用方法，只科普一些工程上解決力學(xué)問題的方法，其中包括有限元軟件ANSYS Workbench、NASTRAN等。

（2）在講授工程力學(xué)課程的材料力學(xué)部分時，任課教師在制作課件時就可以針對知識點引入由 ANSYS Workbench 軟件的使用方法并介紹一些具體的工程算例以及仿真計算出的現(xiàn)象，可以幫助學(xué)生理解工程力學(xué)中的相關(guān)概率。PPT中增加這部分內(nèi)容可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也使得學(xué)生擴寬了眼界。在授課過程中，要告訴學(xué)生工程力學(xué)課程中有哪些局限性，哪些算例是不能用工程力學(xué)書上的方法計算的，可以通過有限元軟件來完成，但是有限元軟件的理論最根本的來源就是來源于這些基礎(chǔ)力學(xué)知識，鼓舞學(xué)生下功夫理解課本，學(xué)好力學(xué)的基本知識。

（3）在工程力學(xué)教學(xué)課程中增設(shè)ANSYS Workbench軟件學(xué)習(xí)的上機課時。本科生在本科期間通過初步的學(xué)習(xí)ANSYS Workbench中的幾何建模模塊、靜力學(xué)仿真計算模塊的操作，加深了對書本知識的理解。同時，掌握軟件的使用方法也為學(xué)生增加了一項專業(yè)技能，不管是本科畢業(yè)去企業(yè)工作，還是將來繼續(xù)深造，ANSYS Workbench都可以是一個很好的輔助工具。

2.2 為新能源專業(yè)課程做鋪墊

揚州大學(xué)的新能源專業(yè)主要是風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)力機的設(shè)計中與工程力學(xué)相關(guān)的知識點非常多。典型的風(fēng)力機就是由桿、軸、梁等構(gòu)件組成，涉及到工程力學(xué)的材料力學(xué)部分，比如桿的拉壓、軸的扭轉(zhuǎn)、梁的彎曲、壓桿穩(wěn)定、材料強度等問題?？梢姽こ塘W(xué)與新能源專業(yè)密切相關(guān)。如何在工程力學(xué)課程中引導(dǎo)學(xué)生對新能源專業(yè)的興趣，并為將來學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)力機專業(yè)知識打下基礎(chǔ)，可通過以下幾個方面進行教學(xué)改革：

（1）通過ANSYS Workbench軟件可以計算桿的拉壓、軸的扭轉(zhuǎn)、梁的彎曲。學(xué)生通過工程力學(xué)課程中的方法計算出結(jié)果再與ANSYS Workbench的計算結(jié)果進行對比。同時，ANSYS Workbench可以顯示后處理動畫，加深學(xué)生對各種基礎(chǔ)構(gòu)件變形、應(yīng)力、強度的理解。

（2）工程力學(xué)實驗改革。工程力學(xué)課程中有實驗課時，通過教學(xué)改革，增加上機課時，即相當(dāng)于進行數(shù)值實驗，因此學(xué)生需要對上機的課時進行掌握，并完成相應(yīng)的課程設(shè)計作業(yè)。結(jié)合新能源專業(yè)的特色和工程力學(xué)課程的基本知識，安排學(xué)生完成的課程數(shù)值實驗內(nèi)容如圖1所示的流程圖，即計算風(fēng)力機葉片在加載載荷作用下的變形。通過幾何建模、網(wǎng)格劃分、選用不同的材料，定義不同的邊界條件，施加不同的力、扭矩、彎矩等，計算出不同的變形、應(yīng)力結(jié)果，并進行自主分析，撰寫數(shù)值實驗報告。將 ANSYS Workbench分析計算納入工程力學(xué)實驗環(huán)節(jié)中的一部分對提高學(xué)生工程實踐能力具有重要作用。

3? 結(jié)語

工程力學(xué)課程專業(yè)性強，理論推導(dǎo)繁瑣，學(xué)生學(xué)起來有一定的難度。因此需要結(jié)合高速發(fā)展的計算機技術(shù)，將計算機仿真技術(shù)應(yīng)用到課程教學(xué)中，更新教學(xué)理念，加強教學(xué)改革。通過以先進的商業(yè)軟件為載體的方法，將課程知識融入到實踐教學(xué)中去，同時帶領(lǐng)學(xué)生樹立正確的軟件使用觀念，有助于提高本學(xué)生掌握力學(xué)的基礎(chǔ)知識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與創(chuàng)新能力。學(xué)生通過學(xué)習(xí)商業(yè)軟件的使用方法，還能幫助學(xué)生的提高實際解決工程問題的能力，更加能夠適應(yīng)社會的需求。

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