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基于有限元数值模拟技术下的材料力学教学新策略

日期:2017-7-19

分类:其他范文

  数值模拟技术也叫计算机模拟,在对电子计算机进行有效运用的基础上,与有限元概念相融合,通过数值计算以及图像显示的方式,实现工程问题、物理问题以及自然问题等研究目标的实现。在材料力学教学过程中,基于有限元数值模拟技术的基础上,积极创新材料力学教学新策略,为研究课题的展开提供可靠的前提,促进材料力学教学质量的提升。

  一、数值模拟技术概述

  要建立反映问题(工程问题、物理问题等)本质的数学模型。具体说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。没有正确完善的数学模型,数值模拟就无从谈起。数学模型建立之后,需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方法。由于人们的努力,目前已发展了许多数值计算方法。计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法,还包括贴体坐标的建立,边界条件的处理等。在确定了计算方法和坐标系后,就可以开始编制程序和进行计算。在计算工作完成后,大量数据只能通过图像形象地显示出来。因此数值的图像显示也是一项十分重要的工作。

  二、基于有限元数值模拟技术下的材料力学教学新策略

  有限元数值模拟技术在材料力学教学中的有效应用,能够结合教学内容进行系统化分析,进而积极选取适宜的数值模拟实例,将实际结算结果展示给学生,强化学生的逻辑思维能力和实际应用能力,以便引入新的材料力学概念和基础理论知识,为材料力学教学质量的提升提供可靠的基础。为切实提高材料力学教学质量,促进有限元数值模拟技术的实际应用价值的有效发挥,可以从以下几方面入手:

  (一)通过有限元数值模拟将物理实验过程再现

  就材料力学教学的实际情况来看,其主要分为课堂教学和实验教学两个环节,新课标对材料力学教学的实验环节提出严格的要求,应当涉及到低碳钢和铸铁的拉伸、压缩和扭转实验等方面。有限元数值模拟技术的有效应用,提高了物理实验的有效性,深化学生对材料变形破坏的力学现象的认知,帮助学生形成感性认识,引发学生的自我思考、自我探索意识。

  比如在开展“材料拉伸力学性能”相关知识的教学过程中,教师可以通过丰富的动画形式将低碳钢试件拉伸过程进行展示,并通过不同的颜色来对等值线图进行展示,通过多样化的教学方式来吸引学生的注意力,充分调动学生的学习兴趣和积极性,促使学生理解并把我试件拉伸过程中应力的变化情况,准确把握材料应力变化的阶段性特征。尤其是在有限元数值模拟技术有效应用后,易于学生理解非线性材料分析模式,进而对材料试件的颈缩现象进行准确的判断。教师在对圆轴扭转的应力及变形问题进行讲解时,可以通过图示的方式唤醒学生对材料拉伸试验以及扭转实验的记忆,在以往知识基础的基础上,快速进入新的课堂主体内容中,便于学生对材料力学新知识进行准确地把握,进而提高材料力学的教学质量。

  (二)合理运用有限元数值模拟技术,启发学生逻辑思维

  材料力学教学过程中往往存在较多的公式定理,且材料力学知识具有一定的抽象性,学生在接受新知识时的理解难度较大。针对此种情况,教师应当充分考虑学生的知识水平以及综合特点,合理运用有限元数值模拟技术,通过分层教学的方式,将材料力学知识的重点和难点分层次的提出,由易到难,引导学生主动思考,培养学生的逻辑思维能力,最后将数值模拟计算结果进行演示。就材料力学教学的实际情况来看,该种教学方式有助于充分调动学生的积极性,强化学生的质疑能力,以便导入新的材料力学知识,提高材料力学的教学质量。

  例如在讲授“组合变形构件的强度问题”时,教师先向学生展示两块带槽钢板,开槽情况分别为单侧开槽和两边对称开槽。第一种情况属于弯曲与拉伸的组合变形问题,第二种情况属于轴向对称问题。课堂上教师向学生提问:“哪块钢板所受的拉应力更大”,要求学生讨论之后回答并说明原因,评价学生的回答情况之后教师给出数值模拟的计算结果,计算结果显示第二种情况钢板所受拉应力小于第一种情况,学生对此反应热烈。此时教师引出“弯曲-拉伸组合变形问题”,学生记忆深刻。上述导入方式有效启发了学生思维,课堂实施效果良好。

  (三)通过实例导入,深化学生认知

  实例式导入材料力学是解决工程实际问题的基础,部分概念性知识的内容需要通过工程实例导入,为了让学生了解更多的信息,可通过数值模拟将工程实际中的力学问题展现在学生眼前。在讲授“交变应力”的基本概念时,往往会引用齿轮咬合过程的工程实例。在齿轮咬合过程中轮齿的应力从开始的零值变到最大,然后又从最大变化到脱离咬合的零值叫。笔者在课堂上演示了齿轮咬合过程中轮齿应力变化过程,帮助学生正确理解“交变应力”的概念本质。在课堂上应用数值模拟演示了类似应力集中、压杆失稳等力学现象,实践证明学生对数值模拟结果影响深刻,课堂气氛活跃。

  三、结束语

  总的来看,材料力学教学具有一定的复杂性和特殊性,其中涵盖较多的概念,具有一定的抽象性,并且材料力学相关理论知识具有较强的理论性,使得学生在学习材料力学相关知识时理解和掌握的难度较大,为切实提高教学质量,相关教学人员应当对有限元数值模拟技术进行科学化运用,加强材料力学教学模式的创新和教学策略的完善,帮助学生最大程度上对本专业知识进行理解和掌握,提高学生在材料力学课堂中的学习兴趣和积极性,拓宽学生的逻辑思维,深化学生认知,进而从整体上提高材料力学教学质量。

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