ANSYS在《材料力学》教学中的应用

　　【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1006－9682（2011）12－0024－02

　　

　　【Abstract】Some applications of ANSYS on teaching of mechanics of materials were introduced by the characteristic and teaching process in mechanics of materials. When the CAE was applied in mechanics of materials teaching, it can make the course more vivid. This means gains good teaching effect to inspiring study interest, improving quality of teaching.

　　【Key words】Mechanics of materials ANSYS Teaching method

　　随着计算机应用的普遍深入，将计算机应用软件应用到高等教育教学课堂中去，已被越来越多的教师和学生接受，通过实践证明，该方法可以大大提高学生的学习兴趣。《材料力学》课程是我国各高等院校机械类及相近专业普遍开设的一门重要的专业技术基础课，该课程知识点较多，知识相对零散，学生学习起来易感到枯燥，为提高学生学习兴趣，将大型计算机应用软件ANSYS技术融入到课堂教学中去，既可以让学生学习、了解计算机辅助工程，又可以增加材料力学课程的趣味性。

　　一、计算机应用软件ANSYS的特点

　　计算机辅助工程的应用软件较多，而进行力学方面分析的软件ANSYS功能较为强大，该软件是世界范围内增长最快的CAE软件，能够进行包括结构、热、声、流体等方面的研究，具有强大的数值计算和仿真功能，能够对材料力学的弹性变形体进行有效的计算。因此将ANSYS与材料力学教学有机结合，可以增强教学效果，提高教学质量，让学生在复杂的计算后看到一些更直观的图像，有利于对理论计算过程的理解。

　　二、利用ANSYS图像绘制功能展现弹性体变形情况

　　ANSYS软件有强大的图像绘制功能，可以将整个变形体的变形过程很好的绘制出来，让学生对变形体的变形过程有更加直观的理解，让理论计算与形象思维有机结合起来。

　　例1，求某一工字钢梁在弯曲时的某点的挠度。求解工字钢在力P作用下A点的变形，已知：P=4000lb，L=72in，IZZ=833in4，E=29E6psi，H=12.71in，横截面面积A=28.2in2。

　　用有限元分析软件

　　ANSYS进行分析时可以

　　将工字钢梁简化为一条

　　直线，然后对其建模、

　　输入参数、网格划分、

　　施加约束并进行加载，

　　最后求解得出所要结果。

　　利用ANSYS图形绘制功能得出梁变形后曲线及A点挠度。从图2可以看出A点挠度为0.020601，与利EI用计算公式计算

　　的结果 ，与仿真结果相符合，从图中我们可以

　　看出变形之后的曲线及挠曲线形状。

　　例2，利用ANSYS动画仿真功能模拟细长压杆失稳。

　　框架结构的端部固定端约束，横截面是边长为150mm的正三角形构架，框架总长15m，分成15小结，每小节长1m，求该结构顶部三角顶点受相同集中载荷作用时的屈曲临界载荷。已知所有杆件均为空心圆管，内半径为4mm，外半径为5mm，所有接头均为完全焊接。材料弹性模量为E＝1.0×1011psi，泊松比μ＝0.35。

　　框架结构模型见图3。通过对框架结构进行建模、加载，通过ANSYS有限元分析得出框架的十阶模态，列表见图4。

　　通过求解可以看出一二阶相等，三四阶相等依次类推，出现这种情况的原因是因为横截面为正三角形，对X和Y的惯性矩相等。所以只展现奇数阶屈曲模态图。

　　一阶屈曲模态见图5；三阶屈曲模态见图6；五阶屈曲模态见图7；七阶屈曲模态见图8；九阶屈曲模态见图9。

　　利用ANSYS里面的动画演示功能演示框架的屈曲变形，给学生以形象直观的视觉效果。也可以使学生更好的理解临界力的

　　表达式 中n取不同整数时不同临界力的屈曲变形情况，

　　在教学中学生经常会不理解计算的欧拉公式是取的n=1时最小压力，当n取其他值时会出现什么情况想象不出来，经过ANSYS的分析得出多阶屈曲模态，使抽象的理论变为形象的动画，使学生更容易理解细长杆受压时的屈曲现象，有助于更好的理论学习。

　　这里仅举出了一些简单的例子进行说明ANSYS在材料力学中的应用，一些复杂的情况也可以在软件中进行求解。

　　三、在课堂中渗入ANSYS应用

　　随着计算机技术的普及，在专业基础课程教学中渗入计算机应用技术已成为必然，计算机辅助工程（CAE）是计算机技术与现代工程方法的完美结合，ANSYS软件以它强大的分析功能成为CAE软件的应用主流。材料力学课程是机械工程等专业所必修课程之一，将CAE技术融入到课堂中去，使学生提前了解CAE技术，为今后计算机应用技术的学习打下良好的基础，同时也增加了专业基础课的学习兴趣。

　　四、结束语

　　材料力学课程的知识点较多，计算较为复杂，学生学习起来容易感到枯燥、失去学习兴趣，ANSYS软件具有强大的计算功能，能够将复杂的问题以图像和动画的形式反映出来，有助于提高学生的学习兴趣，从而提高教学质量。

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