安全工程专业数值模拟课程教学内容探讨

蔡守宇

摘 要：安全工程专业学生能从宏观方面对作业环境、设备设施等作出定性的分析和评价，但缺少对关键结构和重要环节进行定量的准确分析能力。而数值模拟课程正为此而开设，并有助于结合多门课程知识以解决具体工程问题。本文对数值模拟课程的教学内容进行了有益的探讨，望更好地促进该专业学生能力的提升。

关键词：安全工程;数值模拟;课程改革

科学技术是一把双刃剑，人类在享受高度机械化、自动化、智能化等带来的便利的同时，又不可避免地承受着潜在的风险甚至生命危险，一个小小的安全事故极易造成巨大的经济损失和无法挽回的人员伤亡。近年来，政府、企业直到个人对安全越来越重视，用于事故预防的投入也日益增多。在这种形式下，安全工程专业正是为培养具备如下素质的复合型人才而开设的：能从事生产安全管理、安全防护工程、安全产品设计、事故防控规律研究、危险有害因素检测、工程风险评价、生产经营单位安全监察与管理、应急等，多渠道保障生产安全、社会和谐、家庭幸福、个人健康。

安全工程专业的课程覆盖面大，其作为一门工科专业还开设有安全管理学、安全生产法律法规、安全评价、安全心理学、安全经济学等偏管理的文科类课程。此外，安全工程专业学生还需要学习或选修力学、机械、土木、材料、电气等专业的基础课程。专业课程覆盖面广虽然有助于扩大学生就业领域，但容易造成学而不精、对各个知识点不能融会贯通的培养结果。因此，该专业学生相对于机械、土木、电气等工科专业学生，缺乏过硬的能够解决具体工程问题的专业知识。此外，安全工程专业学生经过系统地训练后，一般都能从宏观方面对作业环境、设备设施等作出定性的分析和安全评价，但对于关键部位和重要环节常难以做出定量的准确分析。这在一定程度上不利于他们在实践工作中的进一步发展和在科学研究中的进一步深入。

为此，有必要为安全工程专业学生开设一门能够综合运用多门课程知识以解决具体实际问题的数值模拟课程。数值模拟技术随着计算机软硬件的快速发展和有限元技术的广泛应用，现已成为航空航天、车辆船舶、建筑桥梁等结构设计、分析和安全校核的重要工具，也自然成为很多工科学生必须掌握的知识技能。下面从三个阶段对安全工程专业的数值模拟课程教学内容进行探讨。

一、掌握基本的数据处理和可视化技术，能够对典型机构进行设计分析

这一阶段主要基于Matlab软件进行教学，该软件已深入到科学研究及工程计算各个领域。不仅是理工科教师和研究生，就连本科生在实践和科研等环节也常用到Matlab软件。

本阶段教学内容包括Matlab操作基础、矩阵和数组及其运算、符号运算基础、M文件和流程控制结构、数据可视化，以及基于Matlab软件的连杆和凸轮等机构的运动设计和运动分析。

二、掌握有限元分析方法的基本理论，能够编写简单的有限元计算程序

有限元分析方法因其方便性、实用性和有效性已广泛应用于几乎所有的科学技术领城。安全工程专业学生大都就业于制造、采矿和建筑类行业，而有限元技术在这些行业中的应用越来越广泛和深入。为了使学生能够真正的掌握和运用这门技术，必须给他们打下一定的理论基础，而不能局限于软件的操作训练。

本阶段教学内容包括弹性力学相关预备知识、杆件体系结构有限元分析、平面问题有限元分析，以及基于Matlab软件的有限元分析编程。通过编写简单的有限元程序，可同时强化学生对Matlab软件和有限元理论的理解和掌握程度。

三、掌握常用数值模拟软件的操作方法，能够对三维结构进行仿真分析

现有的数值模拟软件种类繁多，许多商用软件功能强大且各有所长。安全工程专业学生如果能掌握其所从事行业和研究中的數值模拟软件，就可以在宏观的定性分析基础上，对结构和设备等的关键部位和环节进行准确的定量分析，从而提出更为可靠的安全评价结论以及有效的解决方案和改进措施。

本阶段的教学内容为ANSYS软件操作，该软件功能强大，操作简便，应用领域广泛，目前已被我国100多所理工院校所使用或者作为标准教学软件。具体教学内容包括ANSYS软件界面、几何建模和操作、有限元网格模型建立、力学分析求解、后处理显示分析结果、基于强度与刚度的结构安全性分析以及基于安全准则的结构优化设计。

以上三个阶段的教学目标与内容环环相扣、逐层递进：首先使学生掌握Matlab软件的数据处理和可视化功能，并通过机构设计和运动分析提高学生学习兴趣并巩固编程技能;其次给学生讲授有限元方法基本理论，并结合Matlab软件实现简单的有限元分析，有助于学生打下扎实的理论基础;最后通过ANSYS软件讲解和训练，使学生能够对关键设备结构进行仿真分析，并基于计算结果进行专业的安全性评价和进一步的优化设计。

参考文献：

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