融入CAE技术的力学课程实践教学应用研究
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摘 要
本文概述了武昌工学院城市建设学院力学实践课程的基本情况，介绍了力学实践课程存在的问题，并对出现问题的原因进行分析，从课程考核、实践内容和教学手段三方面提出了力学实践课程的改革，最后举例说明力学实践教学。
关键词
力学课程;实践教学;CAE技术
中图分类号： G712;TB12-4 文献标识码： 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
武昌工学院城市建设学院土木工程专业、工程管理专业和工程造价专业都开设了力学课程，其中土木工程专业开设了理论力学、材料力学和结构力学三门力学课程，理论力学总学时是56，其中理论学时56，实验学时0;材料力學总学时72，其中理论学时56，实验学时16;结构力学总学时80，其中理论学时72，实验学时8。力学课程总学时208，实践课程课时占比不到20%，在力学的教学过程中，讲授的理论课程占了绝大部分时间，而提高学生动手能力的实践教学却很少。通过力学实践课程可以促进对理论知识的理解，掌握力学实践的基本步骤，基本方法和目标，提高学生的动手和组织能力，对于培养学生解决、分析问题的能力都起到重要的作用。
1 现有力学实践课程中存在的问题
1.1 实践课程考核方式的问题
材料力学实验成绩和结构力学实践成绩不单独作为课程考核，只占课程平时成绩的10%，即使学生次次旷课，也能参加期末考试，并且取得学分;再者，实践成绩中实验报告与考勤各占50%，没有体现操作过程的分值，这样导致学生无故缺勤实验课，或者不自己动手做实验。
1.2 实践课程内容设置的问题
材料力学的实验主要有轴向拉压实验、剪切实验、扭转实验和弯曲试验，这四个实验全部为验证性实验;没有综合性实验，设计性实验和开放性实验。在教师讲授实验的基础上按照实验报告册的实验步骤进行实验操作，对理论力学知识进行验证，实验过程没有体现学生的主动性，激发不了学生的创造力和学习的积极性。
结构力学的实践课程采用计算机，应用有限元计算软件进行桁架结构仿真分析、连续梁结构仿真分析、框架结构仿真分析以及影响线及内力包络图分析。结构力学实践课程建立的计算模型是以力学的计算简图为依据，脱离了工程实践。
力学具有公式难度大，知识点多，力学概念难理解的特点，很多同学掌握不了力学的基本知识，即使有部分同学在考试中取得了比较高的成绩，这些同学只是就是论题，无法处理实际工程的问题。力学实践课程在力学计算模型的基础上进行内力、应力和变形计算，对于工程实际项目怎么简化成力学计算模型并未展开教学，所以培养出来的学生只会对着力学计算简图进行计算分析，对于实际工程项目的问题却不知从何下手。
1.3 教学手段
现有力学实验设备只有材料力学万能实验机，由一个设备完成轴向拉压、剪切、扭转和弯曲四个实验内容，一个自然班有将近30人，5台仪器，5-6个人为一组进行材料力学性能实验，其中每组学生只有一个同学有操作的机会，一个同学进行计算机控制，其他同学进行旁观，共用实验数据，完成实验报告即可。
2 实践课程改革
2.1 实践课程的考核改革
力学的实践课程单独作为一门课程，编制力学实践课程的大纲、进度计划和任务落实表，力学实践课程的考核成绩由考勤，实践报告，操作成绩综合给出，增加操作成绩的比重，减少考勤和实践报告成绩的占比，注重实践的动手操作能力。最终确定的考核成绩=考勤（20%）+实践报告（20%）+操作成绩（60%）。
2.2 实践内容改革
材料力学实验可以增加组合变形、偏心拉伸、偏心压缩、双弯曲以及压杆稳定，要求学生按照知识储备以及设计实验，编写实验报告中的目标、要求和步骤，可能遇到的问题以及解决方案，这样可以激发学生想象力和创造力，提高学生的兴趣，培养学生发现、分析以及处理问题的能力。
加强实践环节，结合工程实际和专业实际，使基础理论知识与专业技能对接，通过仿真实践课拓展专业课的教学空间，激发学生学习兴趣，增加教与学的互动性，使学生更多地了解复杂结构的试验过程，从而更深刻地理解所学力学课程内容;通过数值仿真计算和结构力学中解析法（力法、位移法），验证所学结构力学方法的正确性;对电算原理及有限元理论有初步认识，并开始初探性学习。比如，桥梁方向的学生，结合桥梁工程的发展现状，按照桥梁类型布置实践任务，学生了解工程背景和桥梁组成和构造施工图的基础上，对桥梁结构进行力学计算简图的简化，并对结构进行内力分析;以桥梁施工为背景，进行桥梁构件吊装施工和模板施工的力学分析。在结构力学分析时，结合Midas软件和PKPM软件，培养学生的计算机建模分析能力。 2.3 教学手段改革
依靠现有的实验条件完成验证性和综合性实验教学，有时会不具备相应的条件，如果单纯依靠实验设备去完成一项实验，投入成本就会大大地提高，权衡成本与教学效果之间的关系，可以引入CAE技术，利用ANSYS软件进行建模计算，向学生演示计算结果。采用ANSYS模拟，按照试件确定材料的弹性模量，泊松比和密度，通过加载求解后，得出试件的变形和应力变化过程，并将过程演示给学生，既可以使学生掌握实验教学内容，又可以发挥现有计算机技术的功能。
3 实践课程改革实例介绍
引入实际工程桥梁，提供桥梁的工程概况，地质水文条件，自然条件，从轴线、结点、支座、荷载四个方面将桥梁结构转化为力学的计算简图，在力学计算简图的基础上，通过有限元软件建立计算模型，分析桥梁结构的内力。桥梁结构的力学计算简图如图1所示。
3.1 ANSYS软件介绍
ANSYS软件是由美国开发的融结构、流体、电磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，能与CAD软件接口，实现数据交换。软件主要由前处理模块（PREP7）、求解模块（SOLUTION）和后处理模块（POST1，POST26）三部分组成;前处理模块可以由实体建模和网络划分两部分组成，求解模块可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，其中分析类型有结构静力分析、结构动力學分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析和压电分析。
3.2 数值分析
利用ANSYS软件进行连续梁有限元模型建立时，采用beam4梁单元结构单元类型，梁采用C50混凝土，弹性模型为3.45e7kpa，泊松比为0.2，主梁截面的实常数定义为“r，1，0.06， 0.0002，0.00045，0.3，0.2，，rmore，，0.00065”，梁的单元长度为1m。
在连续梁模型建立的基础上进行加载，开始连续梁结构的求解，定义单元表命令“ETABLE，A2，SMISC，2”和“ETABLE，A8，SMISC，8”，采用命令“PLLS，A2，A8”绘制剪力图;定义单元表命令“ETABLE，A6，SMISC，6”和“ETABLE，A12，SMISC，12”，采用命令“PLLS，A6，A12”绘制弯矩图。连续梁的弯矩图、剪力图如图2所示。
由（a）图可以看出，原点处的截面弯矩为正的最大弯矩，其值为12.85;距原点8.72米处截面弯矩为负的最大值，其值为6.86。由（b）图可以看出，原点处的截面剪力值为-12.43kN，为负的最大剪力值;在距原点6米的截面剪力值由11.57kN突变至-5.93kN，其中11.57kN为正的最大剪力; 在距原点9米的截面剪力值由-5.93kN突变至2.42kN，其中2.42kN为最小的剪力值。剪力图和弯矩图的总体形状可以看出，均布荷载作用下弯矩图为抛物线，剪力图为斜直线;集中荷载会引起剪力图的突变，弯矩图出现尖角;在截面剪力为零时，弯矩出现极值。
3.3 结果对比分析
通过力法计算桥梁结构的内力，将得到的内力计算值与ANSYS软件计算的内力结果进行对比，对比发现计算结果完全一致。
4 总结
基于CAE技术的力学实践教学，不仅保证力学实践教学目标的完成，并且使学生进一步提升自身的专业技能和实践水平，为学生和就业市场搭建了良好的平台，提升学生的就业能力，拓展学生的实践范围和就业范围。
参考文献
[1]陈红兵，郑应彬，罗书强.材料力学实验教学改革探讨[J].实验科学与技术，2014（12）：77-80.
[2]朱翌，徐永嘉，李璐瑶.结构力学新型实践教学模式[J].教学实践探索，2016（07）：217-218.
[3]王呼佳，陈洪军.ANSYS工程分析进阶实例[M].北京：中国水利水电出版社，2006.
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