计算力学在工科课程设计中的应用

    高职高专工科教育的主要目标之一，是力求向学生提供其未来工作岗位解决实际工程问题时所需要的知识和技能． 工科学生毕业后遇到的首要问题，是如何将现有的研究成果转换到工程实际中去［1］．

    拿自行车作为例子，作为一种交通工具，其性能和可靠性相当关键． 然而，单单是自行车框架的静态分析这一部分就很复杂，要得到一个精确和可靠的结果，传统的分析方法———工程力学方法已经不能适应了． 在这篇文章中，作者通过自行车框架的静态分析，阐述了应用计算力学去解决工程实际问题的方法．

    1 计算力学的知识背景

    计算力学是传统的工程力学理论和方法与计算机技术的结合［2］． 图 1 显示了计算力学的知识背景．要理解应用计算力学去解决工程实际问题的方法，我们先来看解决问题的几个步骤: 第一步是针对要解决的工程实际问题构造一个近似模型． 可能是数学模型，也可能是物理模型或者其它模型; 第二步是寻找一个用来解决问题的相关的工程力学方法; 第三步是应用计算机知识，写一个程序或者找到一个现成的软件包，来得到一个精确可靠的分析结果，或者建立一个可以反复使用的计算分析工具; 第四步是正确理解所得到的分析结果; 第五步是将所得到的结果应用到设计中去． 如果发现设计有问题，就需要修改近似模型，并且重复以上 5 个步骤． 从以上解决问题的几个步骤来看，计算力学的知识背景就是将传统的工程力学理论和方法与现代计算机技术以及正确理解分析结果相结合．

    2 工科课程设计

    工程力学是工科学生相关专业的必修专业基础课之一: 包括理论力学、材料力学和结构力学，甚至涉及弹性力学、塑性力学、断裂力学、土力学、岩石力学、热力学和有限元分析等力学知识． 然而，把工程力学和计算机技术紧密结合在一起的课程并不多，强调如何将这些课程知识运用到工程实际中的就更少了． 实际工程问题相当复杂，要找到一些小的不仅能够解决实际问题，而且能作为课程设计或课堂大作业的课题很不容易，但这些小课题又是用来培养训练学生解决工程实际问题能力的关键． 如果学生学会怎样利用所学的力学知识来解决这些简单的真实课题，他们会觉得所学的东西很有用、很实在、很有趣． 同时，他们还可能建立起毕业后处理实际工程问题的自信心，使他们将来能更好地去工作． 课程设计最终的目的是使学生将来能够将现有的研究成果转换到工程实际中去．下面，我们将通过自行车框架静态分析的例子来阐述计算力学解决实际问题的方法．