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材料力学教学中引入有限元分析对课程目标达成度的影响研究——基于SolidWorks Simulation的教学实践
Research on the Impact of Incorporating Finite Element Analysis in Materials Mechanics Teaching on the Achievement of Course Goals—Based on Teaching Practice with SolidWorks Simulation
引言
材料力学面对机械、土建、航宇、车辆等工科大类，主要任务是让学生掌握杆件拉伸/压缩、剪切、扭转、弯曲四根基本变形，能够进行强度校核、刚度计算、稳定性分析及工程结构简化的能力。由于课程的概念抽象、公式较多、内力与应力分布不易把握，传统的试验装置也只能测试位移、应变等外在的结果，无法可视化内部应力场分布，学生会出现会计算、不懂理、不会用的现象。有限元分析（FEA）是沟通理论力学与工程实践的有效途径之一。与ANSYS等专用CAE工具相比，SolidWorks Simulation具有建模与仿真一体化、操作过程化、结果可视化、门槛较低等特点，在本科生基础教学中更有优势。本文选取简支梁弯曲问题为例，在SolidWorks中进行模型建立、加载及边界条件设置、网格划分、计算及结果后处理全过程操作，并针对有限元分析对材料力学教学目标达成度的影响做出分析，以为教学提供参考。
一、材料力学课程目标体系
依据工科专业人才培养要求，材料力学课程目标可分为三个维度，如表1所示。同时，基于知识、能力、素质三大类建立目标矩阵，并确定各个教学模块对这些目标的集体要求：知识目标为掌握材料力学的基本概念、基本理论和基本方法，理解构件强度、刚度、稳定性的计算原理；能力目标为能运用材料力学的知识分析工程结构受力，解决实际工程问题，能够从事工程设计 and 实施；素质目标是具有严谨求实、勇于创新、团结合作的精神以及良好的工程伦理道德观念。传统教学模式难以形成可视化理解—数值验证—工程应用的完整闭环，引入SolidWorks Simulation可有效弥补教学短板，提升综合育人效果。
| 课程目标 | 具体要求 |
|---|---|
| 知识目标 | 掌握内力、应力、应变、中性轴、危险截面等核心概念；理解弯曲正应力、切应力分布规律与强度条件；掌握简支梁在典型载荷下的内力与应力计算方法。 |
| 能力目标 | 具备工程结构简化、力学建模、理论计算、仿真分析与结果判读能力；能够使用仿真工具完成强度、刚度校核；具备误差分析与数据验证能力。 |
| 素质目标 | 建立理论联系实际的工程思维；培养严谨计算、科学验证的学术态度；形成安全、经济、合理的工程设计理念。 |
二、基于SolidWorks Simulation的有限元教学案例设计
（一）教学案例对象
以矩形截面简支梁为研究对象梁几何参数如表2所示。
| 梁长度L | 0.5m |
|---|---|
| 截面宽度B | 8mm |
| 截面高度H | 12mm |
对应材料力学弯曲变形核心知识点，设置均布载荷工况如图1所示，材料弹性参数如表3所示。
| 弹性模量E | 200GPa |
|---|---|
| 泊松比\(\mu\) | 0.3 |
（二）SolidWorks有限元分析流程
分析过程采用国际单位制，在SolidWorks环境中完成建模与仿真全流程。首先在零件建模模块中按照设定尺寸绘制矩形截面并拉伸生成简支梁实体模型如图2所示。
在Simulation中新建静态算例，定义材料及参数赋值；约束采用固定铰+高级夹具的方式，左端约束为固定铰，右端约束为参考几何体只限制Y向平动；载荷施加分为3个情况，集中力以及集中力偶分别作用在梁上部中间节点处，均布载荷为面载荷施加在梁的上表面，方向为Y方向垂直向下；网格类型采用系统的高质网格，默认使用程序自动优化大小及加密程度来满足求解精度。模型求解完成后，在后处理模块中分别建立法线应力图解如图3所示与剪切应力图解如图4所示，提取最大正应力、最大切应力及位移分布信息，用于与理论计算结果对比验证。
（三）仿真结果与理论分析对比
有限元计算结果和理论计算结果进行对比如表4所示，简支梁受均布载荷作用下其应力分布情况同材料力学中的理论是相符的。切应力沿着截面的高度成抛物线分布，在中性轴处切应力最大，上下边缘趋近于零；正应力沿着截面的高度呈直线变化，中性轴处的正应力为零，上下面的最大值。对比分析其理论解与SolidWorks结果可以发现：支座反力、剪力、弯矩及最大切应力、最大正应力都基本一致，数值差别不超过7%，仿真结果可信度较高，可用于教学验证以及课堂演示。
| 项目 | 载荷类型 | 支座反力 (N) | 剪力 (N) | 弯矩 (N·m) | 最大切应力 (MPa) | 最大正应力 (MPa) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 理论求解 | 均布载荷 | 150 | 150 | 18.75 | 2.93 | 122 |
| SolidWorks Simulation求解 | 150 | 150 | 18.75 | 2.65 | 127 |
三、引入SolidWorks有限元对课程目标达成度的影响
（一）对知识目标达成度的提升作用
有限元分析将抽象力学概念转化为直观云图与动态分布，使中性轴、应力梯度、危险截面等难点内容可视化呈现，有效降低理解成本。学生可直接观察应力随载荷位置、截面尺寸的变化规律，从被动记忆公式转变为主动验证理论，强化知识内化效果。同时，建模、加载、求解、分析的完整流程有助于将分散知识点串联为结构化体系，提升知识掌握的系统性与完整性。
（二）对能力目标达成度的强化作用
在仿真实践环节中，由学生独立完成工程结构简图绘制、三维建模、约束与载荷施加、网格控制以及结果判读，大幅提高将工程问题转化为力学模型与仿真模型的能力；通过对SolidWorks Simulation的操作，让学生了解主流数值仿真软件的一般步骤。能够阅读应力云图并找出危险截面，进行强度安全性评价的能力；将理论解与仿真解对比，培养学生数据处理及误差分析、科学论证的能力，弥补了传统教学中缺少对学生工程应用能力的培养。
（三）对素养目标达成度的促进作用
有限元计算架起了力学知识与工程结构间的桥梁，让学生对材料力学如何用于结构的设计、强度校核、材料选用有直观认识，并形成用理论服务工程的思路；而参数化修改及拓展探究实验能提高学生的自主学习能力和创新意识，培养学生主动思考的习惯。约束设定、网格控制、结果验证等规范化操作有利于形成严谨、规范、求实的工程素养，符合新工科人才培养要求。
四、教学实践优势与应用价值
将SolidWorks Simulation软件应用于材料力学课程教学中具有很好的推广性。因为该软件是所有工科专业的常用建模软件，在教学之前学生已经有一定的了解，不需要花费过多的时间去学习复杂的使用技巧，因此在教学过程中不会增加太大的负担。而且一次建模可以完成分析模拟全过程，省去了不同软件之间互相转换的过程，简单方便。适用于课堂实时演示及随堂练习。可视化结果直观形象，可以代替传统的受力图和剖面图，提高课堂教学效率；并且数值模拟可以不受物理试验中载荷种类、截面形状大小以及所用材料的限制，进行多工况、多参数、高安全性拓展性试验，增加教学内容和实践角度。在实际教学过程中发现，在学习了有限元法之后，学生们对于弯矩应力、中性层、内力图等较难的知识点的理解程度有了明显的进步，课下练习以及考试中的力学模型建立及分析类题目得分率也有了很大的提高，本门课程的目标达成情况也有了一定的提升。
五、结论
将SolidWorks Simulation有限元分析引入材料力学教学，能够以直观、高效、低成本的方式实现抽象力学规律可视化，有效弥补传统教学与物理实验的不足。研究结果表明，有限元分析可显著提升知识目标达成度，使抽象概念可观测、可理解、可验证；能够全面强化能力目标达成度，提升学生建模、仿真、分析与工程应用综合能力；可以有效促进素养目标达成度，塑造工程思维、科学态度与创新意识。SolidWorks软件辅助有限元分析与材料力学课程有机结合，顺应了信息化教学及新工科人才培养方向的发展趋势，在提高教学质量和培养人才方面具有明显的优势，可以在其他工科院校得到推广应用。
参考文献：
- [1] 郑文.有限元分析在《材料力学》教学中的应用[J].产业与科技论坛,2020,19(24):311-312.
- [2] 王涛,罗洪峰,王娟,等.材料力学教学改革的探索与实践[J].实验科学与技术,2016,10(03):116-117.
- [3] 张小安.有限元分析在《材料力学》中的应用案例[J].农业工程,2017,7(04):174-177.