基于ANSYS的工程力学在机械工程教学中的探索
摘 要：合理的课程设置是培养技术应用型人才的重要前提。本文通过分析机械类专业普遍的教学体系，结合工程力学知识在实际工程中的重要应用，探讨了在各个领域都有着很强的适用性的大型有限元分析软件ANSYS在本科生工程力学教学中的改革途径和方法。这对提高学生工程实践能力，更好地培养技术应用型人才奠定了理论基础。
关键词：ANSYS；工程力学；工程实践
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.204
机械工程是国民经济建设和社会发展的基础学科之一。而工程力学是机械类专业本科阶段普遍开设的一门专业基础课，为其它专业课程有力的理论支撑，工程力学的力学计算分析贯穿在这些课程的方方面面。随着各行业对具有扎实理论知识和突出实践能力的人才的大量需求，以技术应用型人才为培养目标的应用型本科院校迅速发展。为了适应机械类专业本科实践教学的要求，将工程应用型有限元分析软件ANSYS运用到该学科的教学过程中，通过教学改革对传统课程的教学内容进行适当优化，对于提高机械类专业大学生工程素质和培养创新能力方面都具有重要的意义。
1 传统工程力学教学体系中存在的问题
工程力学主要分为理论力学部分和材料力学部分。该课程具有理论性强、课程艰深、课时相对较少的特点， 同时又是与实践结合非常密切的一门课程[1]。传统的机械工程教学体系中工程力学的教学完全采用按照教材进行纯理论教学，存在着以下几点问题：
1.1 教学方法过于单一
工程力学因其自身的严密体系决定了是偏重理论推导的。传统教学过程中均采用板书或PPT展示公式的推导和计算过程，这种传统的纯理论授课方式，导致大量公式的罗列、课程枯燥乏味、学生对知识点印象不深以及无法灵活解决机械类课程中的相关问题等弊端，从而造成学生在今后的工作当中与知识脱节。
1.2 教学内容缺乏工程实践性
公式的熟练运用在工程计算中是必备的基本能力 ，这要求我们不仅要熟练记忆这些知识点，更要深入理解其在实际中的应用，即要学以致用。在学校里很难有机会让所有学生都能在实践过程中得到针对性训练，因此需要更为适合学生实践能力培养的教学内容和教学方法的探索与补充。
2 有限元分析软件ANSYS平台特点及应用
2.1 ANSYS软件平台特点
ANSYS是集结构 、流体 、电场 、磁场 、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件[2]，在机械制造、汽车交通、航空航天及土木工程等行业，广泛应用于军用和民用的各种企业及研究院的设计和研究 。具有以下几个主要特点：
（1）ANSYS 主要功能为对模型进行有限元分析，同时它也可以进行复杂的三维建模。除此之外ANSYS可与多数CAD软件实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer ，UG，CATIA， AutoCAD 等 [2]。（2）ANSYS使用统一的数据库来存储用户的操作过程--命令流，命令流能清晰地显示出所有设置的参数及计算结果，实现了前后处理、 分析求解及多场分析的数据统一。同时能够通过修改所存储命令流中的数据的形式来进行修改模型各参数并进行重新计算。（3）ANSYS拥有多个求解器，用户可以根据需要选择合适的求解器进行分析计算。（4）ANSYS包括LS-DYNA、Workbench这些非线性分析模块，具有非常强大的非线性分析功能。（5）ANSYS具有非常友好的界面，初学者在一个月左右都可以掌握其功能并进行分析计算。
2.2 ANSYS软件在工程中的应用
ANSYS广泛应用于军用和民用，主要有：大型设备汽车、飞机等运输工具的高速碰撞模拟分析；结构安全分析；机械制造；生物力学；地震工程；液体-结构相互作用；军用新材料（包括炸药、复合材料、特种金属等）的研制和动力特性分析等等。如图1为对空心颗粒复合材料力学性能做数值仿真的晶胞建模图[3]。
ANSYS的计算分析包括对模型进行静力和动力分析，二者都可以考虑其线性及非线性特性。其中静力分析为求解外部载荷引起的位移、 应力和力。动力分析求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。
3 教学改革的途径和方法
3.1 工程力学课程改革
对传统的工程力学课程可以进行两方面改革：（1）在课堂的授课中，任课教师在制作课件时针对知识点引入由ANSYS软件仿真的工程实例。结合工程实例的教学方法不仅可以增强课堂趣味性提高学生的学习积极性，同时也使学生理解了工程力学这门课的实际应用，并且通过软件仿真的方法进一步解决了教师无充足的适合教学的工程实践实例的问题；（2）工程力学课程中增设软件学习上机课。学生在本科期间由教师带领对ANSYS进行初步学习，有助于学生对该软件复杂功能的进一步拓展学习和应用。无论是对今后工作增加就业机会，还是继续深造都有实际的帮助。
3.2 与机械专业课程相结合
在机械类专业课程中，处处都有与工程力学相关的知识点，可见其重要性。如何进一步做到二者的紧密结合，可通过以下几个方面进行教学改革：
（1）生产实习的教学改革。生产实习是机械类专业重要的实践环节，学生们需要在规定的时间内完成制作成品。通过ANSYS软件可以提前对拟完成的零件进行三维建模，不仅可以减免材料的浪费节约成本，而且在建模过程中学生对成品的细节都会有更详细的了解。同时利用该软件可以进行从毛坯到成品的加工模拟，帮助学生深入理解加工原理，有助于实习目标更好地完成。对成品进行力学分析，如易断裂部位、承载能力及制造失误的原因等等，从而进一步对零件结构进行优化。（2）课程设计的教学改革。机械类多门课程都设有课程设计，这是对学生知识综合运用能力的系统锻炼和提高。课程设计是从零件的类型、尺寸选择到装配完成的综合实践课程环节。而设计过程中零件尺寸的确定、安装位置的选择以及设计出来的产品能否满足要求、有哪些易损坏部位、有哪些因素会导致产品寿命缩短，都可以用ANSYS软件进行分析计算并进一步判断。因此将ANSYS分析计算纳入课程设计对提高学生工程实践能力具有重要作用。（3）毕业设计的教学改革。机械专业的毕业设计大多数都要求对设计进行三维绘图。ANSYS软件可以模拟机器进行生产的过程，这样使设计更加直观和立体，且充分体现该设计的实际应用。如图2为首钢1580热轧板带轧机轧制钢板过程仿真图 。通过ANSYS软件还可以对设计进行驗证性分析计算，为毕业生的理论设计提供支撑。
3.3 科研建设的教学改革
科研基于各门知识的基础理论，只有使用相应的手段对对象进行研究，才能得到更准确的成果。ANSYS的强大功能使其在各领域的科研项目中被广泛应用。
（1）教学团队科研建设。当今在应用型本科院校教育中，以科研促教学是非常有效的教学手段。教学团队应尽快提高自己的科研能力，并将其运用到专业教学中去。目前ANSYS软件广泛应用于国内外各大高校的科研人员的成果研究，ANSYS仿真最重要的是通过对仿真结果进行分析能得到仿真对象的众多特性，进一步对数据进行对比分析并联系到实际可与工程研究挂钩，来解决生产中出现的实际问题。因此机械类专业教学团队的教师们也应对该软件进行深入学习，这将对在研课题提供新思路、拓展科研方向、提高教学能力等方面都有一定的帮助。（2）学生参与科研。大学四年学生可以学到大量的基础理论知识及一定的实地操作经验，但是实践能力相较于社会工作所需还是有很大差距，让学生参与到教师科研中去是对学生学以致用能力十分有效的锻炼。学生利用ANSYS软件进行问题研究时，需要前期分析、建模、加载及对计算结果进行分析，过程中会用到多门课程的知识。这会促使学生通过翻课本、查文献、读期刊等方法寻找解决方案，逐渐建立知识系统，进一步加深对理论知识的理解；为今后工作解决实际问题提供经验、找到突破口；学生参与科研可以分担教师的部分科研工作量，为其减轻科研负担，缩短科研周期。
3.4 综合创新能力的提高
在科技日新月异地发展的新时期，机械行业也由原始的机械加工向高精制造转变。ANSYS软件是一个可以包容多种操作的平台，利用其可以进行多种新产品的制造、装配及维护等多方面的分析。同时ANSYS分析对象的多样性为学科的互相交融提供了平台，这对培养大学生的创新思维和新成果的研究发现都有着重要的作用。
4 结束语
应用型本科院校在应用型人才培养过程中，通过以先进的教学软件为载体的方法，将多门课程融入到实践教学中去，进行课程教学改革，有助于提高大学生学习积极性与创新能力、培养优秀的技术型人才。同时增强了教师的科研能力和水平，提高了办学层次。这对培养目标的实现和学校的发展都将发挥着重要而长远的作用。
参考文献：
[1]辛锋先，弓俊卿，伍晓红，吴莹.基于培养实践能力的“工程力学”教学创新改革與实践[J].科教文汇（下旬刊），2018（12）：58-60.
[2]高兴军.赵恒华大型通用有限元分析软件ANSYS简介[J].辽宁石油化工大学学报，2004，24（03）：94-98.
[3]梁希.空心颗粒复合材料力学性能的数值仿真对策研究[D].秦皇岛：燕山大学，2013.
作者简介：吴正平（1988-），女，河北沧州人，研究生，讲师，研究方向：机械振动。
