CC BY
130
_ВОПРОСЫ ВОСПИТАНИЯ И ОБУЧЕНИЯ_
УДК 372.016:62*40+004.5
Носкова Ольга Евгеньевна
Старший преподаватель кафедры общетехнических дисциплин, Красноярский государственный аграрный университет, krasolgadom@yandex.ru, Красноярск
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ПРИКЛАДНОГО МОДУЛЯ ПРОГРАММЫ SOLIDWORKS
Аннотация. Статья посвящена формированию у студентов информационной компетенции при изучении дисциплины «Сопротивление материалов». Важным компонентом в формировании информационной компетентности является умение применить готовые программные продукты в своей профессиональной деятельности. В статье показана актуальность освоения студентами прикладных программ, способствующих повышению готовности обучаемых к инженерной деятельности. Сделан акцент на улучшении понимания предметной области при интеграции экспериментальных исследований и конечно-элементного моделирования. В работе приведен пример использования прикладного модуля программного пакета SolidWorks для расчета одной из задач сопротивления материалов.
Ключевые слова: информационные технологии, информационная компетенция, сопротивление материалов, прикладная программа.
В настоящее время происходит стремительное развитие процесса информатизации образования, новые информационные технологии проникают практически во все сферы жизни современного человека. Эффективное использование этих технологий помогает получать новые знания, добиваться успеха в выбранных профессиях.
Современные информационные технологии предоставляют преподавателю мощный инструментарий, позволяющий проектировать и наполнять информационными ресурсами учебный процесс, а также осуществлять контроль его действий в ходе самостоятельного изучения различных учебных материалов.
Наряду с информатизацией образования, согласно ФГОС основной задачей инженерного образования является формирование у студентов особых компетенций, сфокусированных на способности применения знаний, умений и навыков в будущей профессиональной деятельности. В списке компетенций обязательной является компетенция, отражающая информационные навыки. Так, например, в стандарте профессиональных компетенций направления подготовки 110800.62 «Агроинженерия» представлена компетенция ПК-24 «Способность использовать информационные технологии при проектировании машин и организации их работы».
Сопротивление материалов - это дисциплина, которая позволяет наиболее широко
и разнообразно применять различные элементы информатизации в процессе обучения. Одним из таких инструментов являются прикладные программы.
Существует множество программ, оснащенных прикладными модулями, предназначенными для решения задач механики твердого тела. В качестве примера рассмотрим решения задач дисциплины «Сопротивление материалов» с помощью программного пакета SolidWorks. Предлагаемая программа включает в себя ряд прикладных модулей, из которых наибольший интерес для нас представляет SolidWorks Simulation [2]. Данный модуль, основанный на методе конечных элементов, позволяет производить расчет на прочность конструкций в упругой зоне, решать задачи механики деформированного твердого тела.
Сопротивление материалов является инженерной дисциплиной, которую изучают студенты всех технических специальностей. Данная дисциплина закладывает основы общих принципов и методов расчета элементов конструкций на прочность и жесткость, развивает культуру многокритериальной постановки и решения задач, а также способность к анализу.
В государственном образовательном стандарте по дисциплине «Сопротивление материалов» предусмотрено проведение цикла лабораторных работ, в ходе которых проводится экспериментальная проверка справедливости допущений и гипотез, при-
меняемых в теоретических выкладках при выводе окончательных формул [1].
Интеграция конечно-элементного моделирования и экспериментальных исследований улучшает понимание студентами экспериментальных наблюдений, сделанных в лабораторных условиях, и механики. Внедрение новых технологий, таких как конечно-элементное моделирование, уже на начальном этапе обучения не только предоставляет мощный инструмент визуализации механических процессов, но и повышает интерес студентов к работе в технической области [3-6]. Кроме того, интегрированный подход помогает студентам понять смысл вычислительных и экспериментальных методов решения инженерных проблем и позволяет им оценить значимость каждого компонента инженерного анализа, проектирования и исследования. Освоение студентами конечно-элементного моделирования на ранней стадии их обучения позволяет улучшить усвоение специальных дисциплин на старших курсах и повысить готовность студентов к инженерной практике после окончания учебы.
В качестве вычислительного эксперимента было предложено проводить конечно-элементное моделирование для расчета напряженно-деформированного состояния элементов конструкций на базе программы SolidWorks.
В настоящее время данная программа широко используется в учебном процессе высшими учебными заведениями. В частности, в зависимости от направления подготовки эта программа может изучаться на различных дисциплинах: информатика, инженерная графика, САПР; поэтому, как правило, приступая к изучению сопротивления материалов, студенты уже владеют навыками построения трехмерных моделей. Но даже если такие навыки отсутствуют, то это не является существенным препятствием по выполнению лабораторных работ с применением программы, поскольку программа SolidWorks имеет стандартный пользовательский графический интерфейс, совмещенный со многими приложениями Windows, что существенно сокращает время на освоение программы.
Сопротивление материалов является тем
курсом, который развивает творческий потенциал и способности к анализу. Однако если студенты не осознают физического смысла поставленной задачи и характера заданных условий, то они не смогут оценить результаты компьютерных расчетов. Поэтому прежде чем приступать к выполнению лабораторных работ, необходимо изучить теорию и выполнить расчетно-графические задания по каждому пройденному разделу дисциплины. Выполнение же лабораторной работы является логическим продолжением освоения и закрепления изученных разделов дисциплины «Сопротивление материалов».
В связи с этим перечислим основные задачи вычислительного эксперимента с применением прикладной программы:
- формирование наглядного представления о напряженно-деформированном состоянии при различных видах нагрузки;
- демонстрация преимущества использования прикладных программ при решении задач по оптимизации элементов конструкции;
- проверка достоверности результатов, полученных с помощью аналитического метода расчета.
В качестве примера рассмотрим выполнение лабораторной работы на тему «Исследование напряженно-деформированного состояния ступенчатого бруса при растяжении (сжатии)». Прежде чем приступить к выполнению вычислительного эксперимента, студент должен выполнить аналитический расчет ступенчатого бруса, определить внутренние усилия, напряжения, деформации, построить эпюры и определить размеры поперечных сечений. Допуском к выполнению лабораторной работы является выполненное расчетно-графическое задание, результаты которого используются в качестве исходных данных для вычислительного эксперимента. Результатом аналитического решения поставленной задачи будут эпюры внутренних усилий, напряжений и деформаций (рис. 1).
Успешное выполнение данной работы свидетельствует о том, что студент владеет методикой определения внутренних силовых факторов, ознакомился с основной терминологией по изучаемой теме и может приступать к расчету поставленной задачи на компьютере.
Рис. 1. Результаты аналитического расчета ступенчатого бруса
Статический расчет конструкции с помощью программы состоит из нескольких этапов. Рассмотрим основные этапы расчета на прочность прямого ступенчатого бруса.
1. Запускаем программу SolidWorks.
2. В режиме конструирования строим трехмерную модель бруса. Эта операция, как правило, не вызывает больших сложностей у студента, поскольку все рассматриваемые объекты имеют простую конфигурацию, не требующую сложных построений. В результате получаем трехмерную модель ступенчатого бруса, дающую наглядное
представление об изучаемом объекте (форме, размерах и их соотношениях).
3. Для выполнения прочностного расчета необходимо активировать модуль SolidWorks Simulation и в области управления запустить этот модуль. На панели инструментов появится активная команда Консультант исследования, в которой выбираем команду Новое исследование (рис. 2). После чего будут предложены различные виды исследований, из которых для нас наибольший интерес представляет Статическое исследование.
Рис. 2. Запуск модуля прочностного расчета
Все последующие подготовительные этапы статического расчета модели на прочность представлены в диспетчере команд, расположенном слева от графического окна.
4. Следующим этапом является выбор материала из библиотеки SolidWorks. Программа предлагает широкий спектр различных материалов, среди которых выбираем материал согласно заданию, в нашем случае - легированную сталь. В данном разделе представлена полная информация о характеристиках материалов, имеющихся в базе данных.
5. После того как материал выбран,
-Н-
6. Внешняя нагрузка задается в разделе Внешние нагрузки. В данном разделе следует обратить внимание на единицы измерения вводимых величин. По умолчанию в настройках силовые характеристики вводятся в системе СИ, однако настройки позволяют изменять их по своему усмотрению.
Вся внешняя нагрузка (сосредоточенные силы, распределенные нагрузки, сосредоточенные моменты) задается в виде проекций на координатные оси. В случае растяжения (сжатия) на брус действует только продольная нагрузка, поэтому в разделе Сила задаем сосредоточенные силы Р1, Р2 и распределенную нагрузку q, расположенные в одной плоскости, не забывая учитывать их направления.
Таким образом, выполнение подготовительных этапов расчета требует от студента знания основных видов нагрузок и их размерностей, а также четкого представления об основных видах связей и материалах. Корректность расчета напрямую зависит
в разделе Крепления задаем ограничения на перемещения по соответствующим направлениям. Программа предлагает несколько вариантов видов связей, от абсолютно жесткой заделки - Неподвижный-1, до выбора ограничений осевых и угловых перемещений по различным направлениям, представленного командой Справочная геометрия, с помощью которой моделируются подвижный и неподвижный шарниры. В результате крепления изображаются на модели в виде направленных векторов, по тем осям, где перемещения ограничены (рис. 3).
от того, насколько соответствуют заданные в программе ограничения на перемещение бруса и силовые характеристики расчетной схеме.
7. Последним этапом является команда Запуск, осуществляющая статический расчет конструкции. В результате статического расчета программа по умолчанию выдает диаграмму напряжений при наихудшем сценарии.
В данном случае нас интересует нормальное напряжение, возникающее в сечениях, перпендикулярных оси стержня. В программе предусмотрен выбор просмотра напряжений в различных плоскостях, а также выбор единиц измерения напряжений. Чтобы посмотреть результат расчета нормальных напряжений, открываем окно редактирования эпюры напряжений и выбираем пункт По оси, а также удобные для просмотра единицы измерения. Пользуясь функцией зондирования, определяем напряжения в интересующих нас сечениях (рис. 4).
Рис. 3. Выбор крепления бруса
Осевой Р/А (N/tn"2)
I
. 113 198 672,0 . 97 660 528,0 . 82122 384,0 . 66 584 236,0 . 51 046 092,0 . 35 507 944,0 . 19 969 800,0 . 4 431 654,0 ■11 106 491,0 ■26 644 636,0
Рис. 4. Результаты расчета напряжений
Таким образом, применение прикладной программы SolidWorks при решении задач сопротивления материалов способствует формированию целостной картины о напряженно-деформированном состоянии исследуемого объекта, закрепляет полученные знания, формирует навыки по проведению математического моделирования и вычис-
лительных экспериментов с использованием программных пакетов, формирует умение интерпретировать результаты компьютерного моделирования и принимать решения по оптимизации параметров и характеристик НДС, а также развивает информационную компетентность.
Библиографический список
1. Министерство образования и науки Российской Федерации [Электронный ресурс]. -URL: http://xn--80abucjiibhv9a.xn--p1ai/ (дата обращения: 12.01.2016).
2. Справка по SOLIDWORKS [Электронный ресурс]. - http://help.solidworks.com/2012/russian/ SolidWorks/sldworks/r_welcome_sw_online_help. htm (дата обращения: 12.01.2016).
3. Ural A., Yost J. Integration of finite element modeling and experimental evaluation in a freshman project [Электронный ресурс] // Proceedings of Mid-Atlantic American Society of Engineering Education Conference, Villanova, Pennsylvania, October 2010. - URL: http://www.asee.org/documents/ sections/middle-atlantic/fall-2010/01-Integration-of-Finite-Element-Modeling-and-Experimental-Eval. pdf (дата обращения: 12.01.2016).
4. Steif P. S., Dollar A. New Approach To Teaching And Learning Statics [Электронный
ресурс] // Proceedings of the 2003 American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition, Nashville, TN, June 22-25, 2003. - URL: peer.asee.org/a-new-approach-to-teaching-and-learning-statics (дата обращения: 12.01.2016).
5. Educational Research of Professor Paul S. Steif [Электронный ресурс]. - URL: http://www. andrew.cmu.edu/user/steif/educationalresearch. htm#top (дата обращения 14.01.2016).
6. Brinson L. C. Design and Computational Methods in Basic Mechanics Courses // Jornal of Engineering Education. - 1997. - Vol. 86, №. 2. -P. 159-166.
7. Sorby S. A., Baartmans B. J. The development and assessment of a course for enhancing the 3-d spatial visualization skills of first year engineering students // Jornal of Engineering Education. - 2000. -№ 3. - Р. 301-307.
Поступила в редакцию 25.01.2016
_UPBRINGING AND TRAINING QUESTIONS_
Noskova Olga Evgenievna
Senior Lecturer of the Department General Technical disciplines, Krasnoyarsk State Agrarian University, krasolgadom@yandex.ru, Krasnoyarsk
SOLUTION OF THE TRAINING TASKS OF THE DISCIPLINE STRENGTH OF MATERIALS USING THE APPLICATION MODULE OF THE SOLIDWORKS SOFTWARE
Abstract. The article is devoted to the formation of students information competence when studying mechanics of materials. An important component in the formation of information competence is the ability to apply special software in their professional activities. The article shows the topicality of the learning of software by students in the early stages of learning. This increases their readiness for engineering activities. The emphasis is placed on improving the understanding of the subject area by integration of the experimental studies and modeling finite element method. The paper presents an example use of an application module of the Solidworks software package to calculate one of the tasks of strength of materials.
Keywords: information technologies, information competence, strength of materials, applied program.
References
1. Ministerstvo obrazovanija i nauki Rossijskoj Federacii [The Ministry of Education and Science] [online]. Available at: http://xn--80abucjiibhv9a.xn--plai/ (Accessed 12 January 2016), (in Russ.).
2. Spravka SOLIDWORKS [Reference SOLIDWORKS] [online]. Available at: http://help.solid-works.com/2012/russian/SolidWorks/sldworks/r_ welcome_sw_online_help.htm (Accessed 12 January 2016) (in Russ.).
3. Ural, A., Yost, J., 2010. Integration of finite element modeling and experimental evaluation in a freshman project [online]. Proceedings of Mid-Atlantic American Society of Engineering Education Conference, Villanova, Pennsylvania, October. Available at: http://www.asee.org/documents/sec-tions/middle-atlantic/fall-2010/01-Integration-of-Fi-nite-Element-Modeling-and-Experimental-Eval.pdf (Accessed 12 January 2016).
4. Steif, P. S., Dollar, A., 2003. New Approach To
Teaching And Learning Statics [online]. Proceedings of the 2003 American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition, Nashville, TN, June 22-25. Available at: peer.asee.org/a-new-approach-to-teaching-and-learning-statics (Accessed 12 January 2016).
5. Educational Research of Professor Paul S. Steif [online]. Available at: http://www.andrew. cmu.edu/user/steif/educationalresearch.htm#top (Accessed 14 January 2016) (in Russ.).
6. Brinson, L. C., 1997. Design and Computational Methods in Basic Mechanics Courses. Jornal of Engineering Education, vol. 86, 2, pp. 159-166.
7. Sorby, S. A., Baartmans, B. J., 2000. The development and assessment of a course for enhancing the 3-d spatial visualization skills of first year engineering students. Jornal of Engineering Education, 3, pp. 301-307.
Submitted 25.01.2016
