单位文秘网 2021-07-21 08:25:27 点击: 次
摘要:理论与应用力学是理论性较强的专业。结合重庆理工大学的学科专业特点,发挥专业特色优势,结合地方产业发展,构建具有汽车CAE特色的力学专业人才培养课程体系,培养和提高以有限元软件应用分析为标志的力学专业本科生的数值模拟计算能力,拓宽地方工科院校力学专业的思路和就业渠道,为力学专业毕业生提供了更为广阔的用武之地和发展愿景。
关键词:汽车CAE;力学专业;数值模拟能力;课程体系
作者简介:丁军(1978-),男,重庆人,重庆理工大学机械工程学院,副教授;黄霞(1977-),女,四川射洪人,重庆理工大学机械工程学院,讲师。(重庆 400054)
基金项目:本文系重庆市高等教育教学改革研究项目(项目编号:112013)的研究成果。
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)35-0051-02
力学是研究物质机械运动规律的科学。它以理论分析、实验验证和数值模拟为主要研究手段,揭示和解决工程技术中的普遍规律和共性问题,涉及航空、航天、造船、核能、建筑、机械、汽车、环境、生物医学等诸多领域。它包括力学中的基本问题和方法、动力学与控制、固体力学、流体力学、生物力学、爆炸与冲击动力学等学科。[1]力学基础课程和力学基础知识是大多数工科专业,特别是机械、汽车相关领域的必备基础。力学具有基础和技术学科的双重特征,力学专业不仅十分关注科学技术的发展前沿,成为推动新学科发展的重要力量,而且特别注重解决工程实际问题。例如在固体力学的范畴内,新材料的发展带来了新的固体力学问题。当经典力学的连续、均匀、小变形假设不再成立时,要想找到精确解是不可能的,唯一解决手段是计算力学方法。另一方面,在经济和社会发展中的重大工程问题中,例如交通运输、先进装备以及航空航天等领域,工程力学的作用越来越大。现代力学问题追求更加真实的工程环境以及跨尺度、多物理场耦合的相互影响,因而提出了大量的数值模拟仿真问题,计算力学是解决工程数值模拟关键技术的主要手段。[2-3]我国著名科学家钱学森曾经预言:在21世纪,“力学加计算机将成为工程设计的主要手段”。[4]当今数值计算理论及CAE仿真技术的飞速发展验证了钱老的真知灼见。
重庆理工大学(以下简称“我校”)地处我国兵器工业和装备制造业的集结重镇——重庆。汽车、摩托车产业和装备制造业是重庆市经济发展的重要支柱产业,是催生重庆市地方区域经济发展的新增长点,促进和推动重庆市经济快速稳步增长的核心和动力。目前,重庆已发展成为全国重要的汽车生产基地、世界最大的摩托车零部件制造基地和全国最大的摩托车整车生产基地。《2013重庆经济展望》指出:2012年全年,重庆市汽车、摩托车产值高达3600亿元,预计2013年汽车、摩托车产业总值将达到4000亿元左右。同时,重庆是我国10个重大装备制造业基地之一。《重庆市装备制造业三年振兴规划》指出:未来三年,重庆将依托现有装备制造产业基础,加快产业结构调整,推动产业优化升级,形成特色产业集群,全面提升产业竞争力,预计三年后,即2015年,重庆装备制造业实现工业总产值5000亿元的规模。汽车、摩托车产业和装备制造业带来的庞大经济规模,势必提高产业发展对大学本科应用型人才培养质量的要求。
我校主动适应地方区域经济及产业发展对应用型人才的需求,将理论与应用力学专业与汽车产业紧密结合,形成具有汽车CAE特色的力学专业人才培养模式,培养具有较强汽车CAE分析能力和坚实力学专门知识的应用型人才。
一、数值模拟能力范畴
近年来,数值模拟分析能力水平已成为工科研究生,特别是汽车和机械类研究生的必备工具之一,而对于机械、汽车专业学生来讲,其CAE分析水平主要还是停留在利用软件进行简单的建模分析阶段,由于CAE分析软件具有较强力学专业背景,多数学生并不了解CAE分析的具体过程和产生此种分析结果的缘由;另一方面,力学专业的学生往往又不具备很强的汽车结构专业知识和工程背景。因此,为了弥补既有较强汽车专业知识又具有扎实力学专门知识的人才空白,我们将力学与车辆两个专业有机而紧密结合起来,将数值计算模拟分析能力进行进一步深化和拓展,培养力学专业学生扎实的数值模拟分析能力和较强汽车工程背景。数值模拟能力主要归结为以下方面:
1.数学建模能力
建立正确的模型是进行计算分析的基础。对于工程问题,首先要建立反映问题本质的数学力学模型,建立反映问题变量之间关系的微分方程及相应定解条件,这是数值计算的出发点。没有正确完善的数学模型,数值计算就无法模拟真实情况。
2.结果分析能力
在CAE分析过程中,一旦确定了正确的力学模型之后,求解过程是一个关键问题。但问题在于,任何一种通用有限元分析软件的求解过程都是一个“黑匣子”,其所有方程求解都封装于求解器之内,对于一般大学本科生层次来讲,无需深入了解暗箱中的操作。但结果出来之后,结果分析能力就显得至关重要。如何去判断所得的结果是否正确,是CAE分析的关键所在。因此,力学专业本科生要掌握运用所学力学知识进行结果分析和讨论的能力,不能只看到表面上的数字和图表,而是通过分析和讨论,挖掘数字和图表后面所隐含的力学原理和实际意义,学会判断计算结果的正确性、精确度、应用限制与改进方法。
3.程序编制能力
前面所说CAE的求解是一个封装后的黑匣子,对于一般用户来讲无需去细究,但是,对于想要成为具有较强数值模拟能力的CAE专业人员来讲,具备一定的程序编制能力非常必要,是实现自己新思想、新方法的唯一途径。目前,通用有限元分析软件如SIMULIA(ABAQUS)、ANSYS、PATRAN&NASTRAN等都是针对用户实现一般分析功能的通用程序,在某些特定环境下或针对某些具体的工程实际问题,如先进复合材料分析,由于软件本身自带的材料物理本构模型无法表述某种复合材料时,此时就必须利用程序来编制适合工程实际的材料本构方程。
4.软件的综合应用与开发能力
软件的综合应用能力是解决工程问题的利器,也是分析和提高计算的可靠性、有效性和精确性的有利方法。现代计算力学发展已经逐步专业化、产业化,功能强大的、成熟的商业软件是解决工程实际问题的有力工具。在掌握模型建立的基础上,让学生熟悉多种商业软件的使用既有利于对前期建模、计算方法、有限元分析等知识的进一步深化,也为今后解决工程实际问题掌握了有力工具。教学中要求学生针对具体的、较复杂的工程问题采用成熟软件进行模拟分析,写出分析报告,并在课堂讲解接受答辩。
二、汽车CAE特色的数值模拟能力培养和提升的核心课程体系
为了培养既具有汽车结构专业知识,又具有较强数值模拟计算能力的力学专业高素质应用型专门人才,我们在理论与应用力学专业人才培养方案中设置了“汽车构造”和“现代汽车技术”两门课程,专门用于培养学生汽车结构专业知识和提高其对现代汽车技术发展的了解和掌握,强化了学生的工程背景,构建了以数值计算能力培养和提高为驱动的力学专业核心课程体系。整个课程体系设置如图1所示。
数值模拟能力的基础是有限单元法,其将工程结构问题抽象成数学力学模型,然后再采用偏微分方程、泛函分析、数值分析等数学工具求出工程实际问题的近似解,通过不断提高网格质量和增加网格数量等技术手段来逼近物理问题的真实解,学生要很好掌握有限单元法知识必须得具有扎实的弹塑性力学知识(其是理解并抽象工程实际问题的最基本工具和方法),C语言或Fortran语言程序识读及编程能力,以及必备的数值分析能力,这三门学科知识奠定了有限单元法坚固的理论基础。[5-6]
在良好掌握有限单元法知识后,开设了“CAE软件应用”、“多体动力学软件及应用”、“动力学有限元软件及应用”、“计算流体动力学及软件应用”等技术课程。这四门课程的学习可以使学生对有限元法的理论和编程思想有更深刻的理解和认识,实现质的提升。在“CAE软件应用”课程的学习中,采用ABAQUS软件作为学生的操作软件。ABAQUS一直是国外高校科研院所、航空航天领域的标志性工具软件。作为力学专业学生,理应需要学习专业性更强、拓展性更好的分析软件。“多体动力学软件及应用”课程采用的是ADAMS软件,该软件在国际多体动力学分析行业中得到一致认可,通过对多体动力学理论和软件的学习,弥补了理论与应用力学专业学生机械知识薄弱等不足,强化了学生对机构等构件的认识和理解,同时,ADAMS软件在汽车业界也是公认的主流软件,加深了力学专业学生毕业后在汽车业界的被认同感。“动力学有限元软件及应用”主要采用LS-Dyna和Nastran,结合我校的学科特点和专业特色,让学生通过动力学理论及软件的学习掌握对机械零部件、汽车零部件及整车的动力学特性分析(如机械零部件的振动、汽车的碰撞等)。“计算流体动力学软件及应用”课程采用国际公认的专业流体分析软件Fluent。随着近年来国内汽车工业的飞速发展,国产轿车技术的突飞猛进,产生大量需要利用空气动力学理论来解决的汽车工程问题,如车身外形的设计及优化、发动机的冷却、车内空调制冷优化等问题。在掌握了ABAQUS、ADAMS、Nastran、Fluent等通用或专业分析软件之后,在人才培养方案中,我们结合“汽车构造”和“现代汽车技术”两门专业课程,让力学专业学生系统地学习汽车专业知识,将汽车工程实际问题与已获得的CAE分析能力有机结合起来,达到力学专业并不是只注重理论,还要将力学专业知识与工程背景相结合的人才培养目标。
三、教学环节的实施
在每门课程教学中,特别注意重点内容的选择,把主要精力放在有限单元法的基本原理、工程实际问题建模和程序实现上,特别是不能把有限单元法的求解过程讲解成计算方法或线性代数。主要的实施环节可以归结为三项。
1.研读源程序
学生最早接触有限元源程序是在有限单元法课程学习中,因此,要求学生不仅理解有限元法程序的设计流程、主要模块功能、算法实现和调试验证等主要环节的基本原理,而且要求学生具备对源程序进行修改、增加功能模块和自行编制调试程序的能力。在有限单元法课程上准备了三个源程序,即入门级的三角形常应变程序、平面问题的等参元程序和板壳单元程序。
2.自主建模
为了培养学生解决实际工程问题的能力,特别是汽车工程的建模能力,在上机实习、考试和课外作业中实行自我命题、自我解决、自我判断的能力培养环节。工程实际问题的分析模型可能有多个,鼓励学生对不同的几何简化、载荷工况和边界约束进行分析比较。找到合理模型,积累建模经验。
3.阅读经典著作及文献
以有限元分析软件为手段的数值模拟计算现在已经成为各个研究领域解决工程实际问题特别是大工程问题的主要手段。因此,培养和提高数值模拟计算能力对于地方工科院校人才培养是十分重要的环节。地方高校要加强内涵发展,培养和提高学生的工程实践能力,培养学生的创新精神,全面提高人才的培养质量。实现学生创新精神和能力的培养需要对所学行业、学科及专业的纵深有了解,因此,在教学过程中,我们十分重视向学生引入汽车的先进技术知识、数值模拟先进手段、超高性能计算机的发展现状及趋势。推荐学生阅读优秀的科研论文以对计算力学的先进理论成果进行了解,对CAE领域的发展具有一个总体的研判。
有限单元法课程理论深奥,涉及学科错综复杂,不同版本教材的作者站在不同的学科和专业视角,可能会让学生产生难学难懂的错觉,甚至有学生产生学习抵触情绪。我们就此专门向学生推荐有限单元法领域世界级大师的著作,如K.J Bathe,J.N Reddy等有限元法原著,倾听大师对有限元法的风趣诠释和超凡理解,让学生从另外一个角度来深刻体会和学习知识。
在该课程体系的实践下,我校首届理论与应用力学专业学生取得了良好成绩和效果,有33%左右的学生考上了国内著名985高校的研究生,多名学生就读于在国际国内计算力学领域具有重大影响的大连理工大学,师从业界有名的计算力学专家。其中一名学生更是以专业第一名的优异成绩完胜其他高校学生,被大连理工大学计算力学专业录取为直博研究生。部分学生凭借其在校期间掌握和积累的数值模拟计算分析能力就职于国内多家著名汽车整机或零部件企业,获得用人单位一致好评。
四、结论
以掌握有限元软件分析应用为手段的数值模拟计算能力是地方工科院校力学专业学生应具备的基本素质。将力学专业知识和飞速发展的汽车行业紧密结合,培养学生坚实的力学知识且具有热门行业的专业知识和工程背景。拓宽了地方工科院校力学专业人才培养的思路和渠道,为力学专业毕业生提供了更为广阔的用武之地和发展愿景。通过系列化的课程设置、工程化的培养手段和融入少许国际元素的教学理念,为国家培养具有高水平数值计算模拟能力的力学和汽车专业人才。
参考文献:
[1]国家自然科学基金委.未来10年中国学科发展战略:力学[M].北京:科学出版社,2012.
[2]杨庆生,龙连春,刘赵淼,等.力学专业研究生计算力学能力培养及其课程体系建设[J].力学与实践,2012,(4):66-69.
[3]李建,林贤坤.力学专业车辆方向有限单元法课程教学探讨[J].科技信息,2012,(23):13-14.
[4]钱学森.我对今日力学的认识[J].力学与实践,1995,17(4):1.
[5]龙连春.数值模拟技术与分析软件[M].北京:科学出版社,2012.
[6]王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2009.
(责任编辑:刘辉)
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