CAE模块化教学研究

摘 要：文章针对传统CAE分析课程教学中所存在的问题，打破“自下而上”的CAE教学模式，提出了“CAE模块化”教学理论，建立了CAE模块化教学方法和教学内容，并将模块化教学应用于机械工程CAE分析课程教学实践中，结果表明，CAE模块化教学提高了教学质量，使CAE教学更加系统化，对CAE分析课程教学具有重要的参考价值。

关键词：CAE模块化；ANSYS；CAE教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）14-0096-03

Abstract： This paper analyzes the problems existing in the teaching of traditional CAE analysis and breaks the traditional "bottom up" teaching model. Furthermore， it proposes the modular theory to CAE teaching. Meanwhile， a string of CAE teaching content and teaching methods are established. The modular teaching method is applied in the teaching practice of CAE analysis in Mechanical Engineering. The results indicate that the modular teaching method of CAE improves the quality of teaching and makes CAE teaching more systematic， showing important reference value for the teaching of CAE analysis.

Keywords： modular of CAE； ANSYS； teaching of CAE

一、概述

计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE），是利用计算机对复杂工程和产品的物理特性进行分析计算和优化设计的一种近似数值分析方法[1]。随着计算机技术的发展和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有了很大的提高。CAE课程以大学物理，理论力学，材料力学，弹性力学，机械原理，机械设计等课程为基础，将计算机科学与工程科学相互结合，相互渗透，是现代数字化模拟仿真的关键技术之一，它的出现和应用使传统的设计和制造方法以及组织生产模式发生了深刻的变化。因此我国正需要掌握先进CAE技术的应用型技术人才[2]。CAE分析这门课程从机械工程的角度出发，为学生讲述CAE的理论基础，分析方法，及部分CAE软件的使用技巧。这门课程教学的目的是使学生掌握CAE分析的理论基础，具备对复杂工程和产品进行分析的能力。几代人经过半个多世纪的研究，CAE分析已经发展为涉及物理方程，泛函分析，数值方法，软件开发和工程应用等在内的一个综合性学科，而其中的任何一块内容又都涉及复杂理论背景的高等研究专题。如何通过相关课程设置，有效地培养学生的CAE分析能力和素质，这是工科教育教學面临的一个新的挑战，工程实践的需求和CAE分析的学科交叉性和复杂性使得如何为机械专业的学生开设CAE分析课程，成为近年来相关教学研究和改革的重要课题，具有代表性的研究如曾攀[3，4]关于如何为机类本科生和研究生开设CAE分析的实践教学，并翻译引进和自主编写一系列CAE教程[5]。

近年来，尽管工科教育对软件应用类的课程进行了相关的教学改革活动，但是CAE传统的教学模式仍然停留在“自下而上”的教学模式中，即分别从几何建模、网格划分、加载与求解、结果后处理开始，然后进行静力学分析、非线性分析、动力学分析的过程。有些学者提出启发讨论式、互动式的教学方法[6]或者为了增强学生的学习主动性，有些学者提出将专业知识与软件实践相结合将培训式教学引入实践教学、以及以项目分析驱动课程教学的教学方式[7]。为了增强课堂的活跃气氛，还有学者提出制作结合工程实例的教学课件、改革以往的课程考核方式[8]， 虽然这些改革也取得了一定的教学效果，但是大部分还处于传统的教学模式之下，由于教学模式的本质没有发生改变，所以在教学过程中不可避免的存在着以下的问题：

1. 由于传统教学模式前面的教学内容较多，但学时有限，因此，静力学之后的内容往往无法全面涉及，导致学生学到的知识支离破碎。

2. 学生接触的有限元分析实例较少，导致学生的视野和知识面较为狭窄，动手实践能力较弱。

3. 课堂教学气氛较为沉闷，学生听课积极性不高，与老师的互动性不强。

4. 学生难以用CAE知识去解决实际问题，无法将所学的知识与实际相结合。

针对当前传统CAE教学中所存在的这些问题，为了对学生CAE分析能力的培养，更新教学思路和方法势在必行，故本文提出了CAE模块化教学的思想，帮助学生建立系统的知识体系，注重培养学生CAE分析的能力。

二、CAE模块化教学理论

（一）CAE模块化教学的内涵

CAE模块化教学即根据CAE课程的固有特点，针对CAE课程的分析类型，以不同的分析模块进行教学。将CAE分析划分为几大模块，即静力学分析模块，非线性分析模块，动力学分析模块（包括模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析）等，针对每个模块进行模块化系统的学习，在每个模块中包含了几何建模，网格划分，边界条件的施加，求解以及结果后处理等CAE分析的步骤，区别于传统的CAE教学模式。

（二）CAE模块化教学内容

图1和图2分别给出了传统的CAE教学模式和CAE模块化教学模式的流程图。

由图1可见，学生要掌握的静力学分析、非线性分析及动力学分析，首先要学习建模、网格划分、加载求解、结果后处理等过程，然后才能接触到完整的结构分析。而学生在整个CAE学习过程中将大量的时间投入到了前期的有限元模型处理阶段，但在这一阶段学生并未真正地接触有限元分析的对象，只是在学习有限元分析过程中的某些步骤。由于学生没有接触到明确的对象分析，学习过程中学生容易产生枯燥厌倦的听课情绪，而当最后讲述静力学分析、非线性分析、动力学分析（包括模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析）时由于课时限制，所讲内容不能面面俱到，此时学生往往走马观花，不能专心学习。表面上看，该教学模式似乎合理，前期投入大量的时间学习有限元的分析步骤，为后续的分析环节做准备，但是当整门课程学习完后，学生的知识体系刚初步建立起来，由于学时的限制，学生真正地接触结构分析环节必然大幅减少。这就不可避免地导致学生掌握的知识体系不太牢固，难以将所学习的知识运用到最终的结构分析中去，学习的知识支离破碎。

针对传统CAE教学中所存在的问题，采用CAE模块化的教学模式能节省教学时间，巩固知识体系， CAE模块化教学流程图如图2所示，由图可见学生接触教学直接从静力学分析开始，然后到非线性分析，再到动力学分析，在学习过程中不可避免地要涉及到建模、划分网格、加载求解和结果后处理等问题，从而实现了带着问题去学习，提高了学生学习的思考积极性，节省了教学时间，并提高了教学效果。在CAE模块化教学中，静力学分析主要用来分析稳态载荷所引起的系统或结构的位移、应力和应变力，很适合求解惯性及阻尼的时间相关作用对结构的影响并不明显的问题，分析过程为建模、加载求解和结果后处理。非线性分析与静力学分析步骤相同，所不同的是材料或结构出现了某种非线性相应问题。动力学分析与静力学所不同的是结构在随时间变化载荷下的动态响应问题，主要包括模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析。但其整个分析步骤与静力学相似，也包含建模、加载求解和结果后处理等步骤。因此，无论是静力学分析、非线性分析还是动力学分析，都有共同的分析步骤即建模、加载求解和结果后处理。CAE模块化教学直接以静力学分析模块为基础开始，再经过非线性分析模块，到动力学分析模块，当遇到建模、加载求解和结果后处理时，再一一为学生讲述，从而做到了有限元前处理与分析问题的完全结合，避免了传统CAE教学产生的知识零散破碎的情况。

在学生学习静力学分析的过程时，由于学生并未按照传统的CAE教学模式学习，所以学生刚开始并不了解CAE分析的步骤。静力学分析模块建模时，建模过程对于学生而言完全是一个陌生的概念，此时带着静力学分析目标为学生讲解ANSYS建模，包括模型的生成步骤、坐标系工作平面的使用，学生学起来有目标，有对象，学习效果更佳。当学生建模完成后，前处理所涉及的内容自然已经学会。接着为学生再讲述有限元模型的建立，生成网格的生成。在加载求解阶段为学生讲解与静力学相关的边界条件处理的内容，然后再讲述查看结果，此过程完成时学生已经学会了采用CAE方法求解静力学问题，这样对于大量花在前处理阶段的时间可以节省出来留给学生进行实践，引领学生做更深入的静力学分析实例，如连杆受力，圆孔应力集中效应等，非线性分析模块以及动力学分析模块与之类似。

显而易见，将CAE分析分为三大模块为学生进行授课教学，直接摒弃了传统CAE教学模式的不足。在每个模块中，按各自模块的分析步骤进行授课，遇到具体的知识点再为学生详细进行讲解，虽然刚开始时学生对所认识到的新知识比较陌生，接受起来比较困难，但模块化的教学方法也是由简到难，当学生将静力学分析这一基本的模块掌握之后就可以建立CAE分析的体系框架，在静力学分析的基础上再学习其他两个模块，针对不同的分析问题由浅到深，不断的在原有的知识体系上进行补充，不断地完善，后面的两个模块学生学习起来也就比较轻松，通过大量的实例进行练习，既巩固了学生的知识体系，又提高了学生的动手操作能力。起到了举一反三的作用，从而解决了内容多、学时少的教学矛盾。

三、CAE模块化教学实践

以谐响应分析为例讲解CAE模块化的教学过程，图3为谐响应分析CAE模块化教学流程图。在谐响应分析中，学生需要了解谐响应分析的应用，掌握使用不同的求解方法进行谐响应分析。

在对学生进行授课时，首先学生了解谐响应分析的应用条件，然后为学生讲述谐响应分析的三种不同的求解方法，即Reduced法、Full 法、Mode Super position法以及各自的优缺点。下面以Full法为例，为学生讲述使用Full法进行谐响应分析的步骤。1. 建模，在該步骤中为学生讲解如何指定文件名，分析标题，以及使用PREP7来定义单元类型、单元实常数、材料特性及几何建模。2. 网格划分，该步骤中讲述网格划分的技巧和方法。3. 加载求解，讲述分析类型和选项、加载，指定载荷步选项并开始有限元求解。4. 查看结果和后处理，在该步骤中采用Post26和Post1查看结果和后处理。当上述步骤讲述后学生也就掌握了谐响应分析的方法，并巩固了前后处理的过程。

通过对传统的CAE教学和模块化CAE教学的对比可以发现：

CAE模块化教学将CAE分析体系化和模块化，针对每个模块，既有共性的分析步骤又有特性分析过程，当学生学习完前一个模块，再学习下一个模块的分析时，就只需要在已有的分析步骤基础之上进行更深层次的拓展与补充。例如学生学习静力学分析时惯性及阻尼对结构影响不显著，动力学分析与静力学分析的主要区别是需要考虑惯性及阻尼对结构的影响，可见静力学分析的学习是动力学分析的前提。当学生学习完静力学分析之后再学习动力学分析时，静力学所对应的分析步骤已经掌握，在学习动力学分析步骤时需要在原有的基础之上进行拓展，学生不但可以很好地学习动力学分析而且还可以间接地不断地对前面的知识进行回顾，使学生学习的知识更加牢固化和体系化。

通过开展CAE模块化教学，并对课程的设置及教学方式作出相应的改革，对某校实验班学生进行了CAE模块化教学，从教学实践和效果来看初步取得了较好的教学成果。

四、结束语

本文通过分析当前CAE教学过程中所存在的不足，根据CAE课程所固有的特点提出了CAE模块化教学，并将之应用于实验班进行教学取得了较好的教学成果并总结如下：

1. CAE模块化教学将CAE分析模块化，巩固了学生的知识体系，对培养学生的动手实践能力、拓宽学生的视野和知识面、提高学生的创新能力具有较大的推动作用。

2. 通过CAE模块化教学，让学生带着问题去学习，将被动学习变为主动学习，学生学习的积极性增强，既节省了教学时间又提高了教学效果。

3. 通过开展CAE模块化教学，实践证明教学效果良好，在一定程度上提高了CAE课程的教学质量，为今后CAE教学改革提供了较好的参考价值，同时也为CAE应用型技术人才的培养提高了一套教学模式。

参考文献：

[1]高伟强，阎秋生，秦哲.“CAD/CAM/CAE课程综合训练”教学的实践与探讨[J].社会工作与管理，2004，4（z1）：182-184.

[2]汪中厚，周晓玲，刘欣荣，等.CAE技术课程教学改革和创新实践[J].时代教育，2015（1）：17-17.

[3]曾攀，雷丽萍，方刚.基于ANSYS平台有限元分析手册：结构的建模与分析[M].机械工业出版社，2011.

[4]曾攀.工程有限元方法[M].科学出版社，2010.

[5]李建宁，朱应利，崔世海.为机械专业本科生开设有限元分析课程的教学实践[J].力学教育，2014（4）：384-386.

[6]王磊.CAE课程教学方法改革与创新探讨[J].中小企业管理与科技旬刊，2014（9）：262-263.

[7]陈松，丁军，龚海峰，等.CAE软件应用类课程教学方法改革与实践[J].科教导刊，2015（8）：105-106.

[8]吴江霞，梅德清，蔡忆昔.工科专业“CAE应用基础”课程教学模式探索[J].科教文汇，2015（4）：69-70.