基于ANSYS Workbench的工程力学教学探索

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　　摘  要：在工程力学课程中引入计算机仿真技术，为工程力学教学带来更多的形式，同时可以提高学生的学习兴趣以及帮助学生理解工程力学中的关键问题，从而获得更好的教学效果。本文从高速发展的计算机仿真技术背景下的工程力学教学改革的意义出发，探讨了有限元商业软件ANSYS Workbench在工程力学教学中的角色、改革途径和方法。实践证明，通过在课程教学中插入ANSYS Workbench仿真教学可以帮助学生更好掌握相关的工程力学知识，并增强学生的创新思维和创新意识。
　　关键词：工程力学  ANSYS Workbench  计算机仿真技术  教学探索
　　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
　　扬州大学电气与能源动力工程学院主要是由新能源、能源动力工程、电气工程等专业的学生组成。工程力学作为一门理工科专业基础课程，是学生们后续学习相关专业知识，掌握专业技能以及考研升学的重要知识基础。因此，掌握和熟练运用工程力学课程的主要知识至关重要。
　　工程力学涉及众多的力学学科分支与广泛的工程技术领域，一般主要由静力学和材料力学两部分内容组成，是一门理论性较强、与工程技术联系极为密切的技术基础学科[1-2]。工程力学专业人才培养既要把握市場对该专业人才在知识、能力等方面的需求，更要考虑专业的长远可持续发展[3-5]。工程力学课程具有理论性强、课程艰深、课时相对较少的特点，但是工程力学的定理、定律和结论广泛应用于各行各业的工程技术中，是解决工程实际问题的重要基础。同学们在学习该课程过程中觉得工程力学课程中有很多概念理论性强，公式推导较多，较难理解，且学习过后容易忘记等问题。同时，相比传统的教学方法，工程力学教学中存在教学形式单一、教学内容缺乏工程实践性等缺点。
　　为了解决上述问题以及适应能源动力类专业本科教学的要求，将基于有限元商业软件 ANSYS Workbench的计算机仿真技术运用到该学科的教学过程中，为工程力学教学带来更多的形式[6-7]。有限元仿真在工业界和学术界都得到了广泛应用，培养有限元仿真技能已成为新工科人才培养中不可缺少的环节[8]。通过教学改革对传统的工程力学教学方法和内容进行适当优化，提高学生的学习兴趣以及帮助学生理解工程力学中的关键问题，从而获得更好的教学效果。对于提高能源动力类专业大学生工程综合素质和培养创新能力方面都具有重要的意义[9-10]。
　　1  有限元商业软件ANSYS Workbench特点与应用
　　ANSYS Workbench软件是ANSYS公司旗下的大型多物理场耦合分析平台，即协同仿真平台。ANSYS Workbench仿真平台能够对复杂机械系统的结构静力学、结构动力学、刚体动力学、流体动力学、结构热、电磁场以及耦合场等进行数值仿真模拟。
　　基于Workbench的仿真环境有三点与传统仿真环境有所不同：
　　客户化：根据用户的产品研发流程特点开发实施形成仿真环境;
　　集成性：Workbench把求解器看作一个个组件，不论由哪个CAE公司提供的求解器都是平等的，在Workbench中经过简单开发都可直接调用;
　　参数化：Workbench对CAD系统的关系不同寻常。它不仅直接使用异构CAD系统的模型，而且建立与CAD系统灵活的双向参数互动关系;
　　概括的讲，ANSYS Workbench平台下有很多求解器，可以求解大多数常见的力学问题。学生使用这款软件进行力学分析的好处是可以在该平台下直接完成几何建模、网格划分、边界条件设置以及求解后处理。该软件平台相比传统的软件操作方法简单、易学易懂。同时，该平台可以实现多个模块的连接，进行多物理场耦合仿真。例如，在结构静力学仿真上加上流体仿真，将流体的载荷加到结构上，可以实现流固耦合仿真。 　　此处，介绍了有限元商业软件ANSYS Workbench的强大功能的同时，也必须强调ANSYS Workbench软件作为一个分析工具的局限性。强大的软件给学习、科研、设计等工作提供便捷，但绝不能忽视基础知识的学习，过度依靠、依赖国外开发的商业软件。
　　2  探索教学改革的途径和方法
　　2.1 基于计算机仿真技术的工程力学课程改革
　　实践中对工程力学课程的传统教学方法做以下改革：
　　（1）在讲授工程力学课程的静力学部分，重点打好学生对构件进行受力分析的基础，不讲授商业软件ANSYS Workbench使用方法，只科普一些工程上解决力学问题的方法，其中包括有限元软件ANSYS Workbench、NASTRAN等。
　　（2）在讲授工程力学课程的材料力学部分时，任课教师在制作课件时就可以针对知识点引入由 ANSYS Workbench 软件的使用方法并介绍一些具体的工程算例以及仿真计算出的现象，可以帮助学生理解工程力学中的相关概率。PPT中增加这部分内容可以提高学生的学习兴趣，也使得学生扩宽了眼界。在授课过程中，要告诉学生工程力学课程中有哪些局限性，哪些算例是不能用工程力學书上的方法计算的，可以通过有限元软件来完成，但是有限元软件的理论最根本的来源就是来源于这些基础力学知识，鼓舞学生下功夫理解课本，学好力学的基本知识。
　　（3）在工程力学教学课程中增设ANSYS Workbench软件学习的上机课时。本科生在本科期间通过初步的学习ANSYS Workbench中的几何建模模块、静力学仿真计算模块的操作，加深了对书本知识的理解。同时，掌握软件的使用方法也为学生增加了一项专业技能，不管是本科毕业去企业工作，还是将来继续深造，ANSYS Workbench都可以是一个很好的辅助工具。
　　2.2 为新能源专业课程做铺垫
　　扬州大学的新能源专业主要是风力发电，风力机的设计中与工程力学相关的知识点非常多。典型的风力机就是由杆、轴、梁等构件组成，涉及到工程力学的材料力学部分，比如杆的拉压、轴的扭转、梁的弯曲、压杆稳定、材料强度等问题。可见工程力学与新能源专业密切相关。如何在工程力学课程中引导学生对新能源专业的兴趣，并为将来学生学习风力机专业知识打下基础，可通过以下几个方面进行教学改革：
　　（1）通过ANSYS Workbench软件可以计算杆的拉压、轴的扭转、梁的弯曲。学生通过工程力学课程中的方法计算出结果再与ANSYS Workbench的计算结果进行对比。同时，ANSYS Workbench可以显示后处理动画，加深学生对各种基础构件变形、应力、强度的理解。
　　（2）工程力学实验改革。工程力学课程中有实验课时，通过教学改革，增加上机课时，即相当于进行数值实验，因此学生需要对上机的课时进行掌握，并完成相应的课程设计作业。结合新能源专业的特色和工程力学课程的基本知识，安排学生完成的课程数值实验内容如图1所示的流程图，即计算风力机叶片在加载载荷作用下的变形。通过几何建模、网格划分、选用不同的材料，定义不同的边界条件，施加不同的力、扭矩、弯矩等，计算出不同的变形、应力结果，并进行自主分析，撰写数值实验报告。将 ANSYS Workbench分析计算纳入工程力学实验环节中的一部分对提高学生工程实践能力具有重要作用。
　　3  结语
　　工程力学课程专业性强，理论推导繁琐，学生学起来有一定的难度。因此需要结合高速发展的计算机技术，将计算机仿真技术应用到课程教学中，更新教学理念，加强教学改革。通过以先进的商业软件为载体的方法，将课程知识融入到实践教学中去，同时带领学生树立正确的软件使用观念，有助于提高本学生掌握力学的基础知识，提高学生的学习积极性与创新能力。学生通过学习商业软件的使用方法，还能帮助学生的提高实际解决工程问题的能力，更加能够适应社会的需求。
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