趙洋+鄧聰穎

摘 要 有限單元法在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中占據(jù)重要地位，是機(jī)設(shè)類學(xué)生需要掌握的一種重要現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法。其有著龐大而復(fù)雜的理論體系，基礎(chǔ)理論與應(yīng)用廣泛，涉及內(nèi)容豐富。為了增強(qiáng)課程的教學(xué)效果，提高學(xué)生的工程意識(shí)，對(duì)“有限元應(yīng)用與實(shí)踐”課程進(jìn)行了一些探索。

關(guān)鍵詞 有限單元法 ANSYS 實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-7661（2017）17-0015-01

有限單元法是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一門現(xiàn)代計(jì)算方法。在工程分析和科學(xué)研究中，常常會(huì)遇到大量的由常微分方程、偏微分方程及相應(yīng)的邊界條件描述的場(chǎng)問(wèn)題，如位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)等。推導(dǎo)這些方程并不十分困難，但對(duì)于很多實(shí)際工程問(wèn)題卻很難從這些方程中獲得解析的數(shù)學(xué)解。人們多采用數(shù)值方法給出近似的滿足工程精度要求的解答，有限元方法就是一種應(yīng)用十分廣泛的數(shù)值分析方法，也是工程科學(xué)的重要工具，其重要性僅次于數(shù)學(xué)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，復(fù)雜工程問(wèn)題可采用有限單元數(shù)值計(jì)算方法并借助計(jì)算機(jī)得到滿足一定精度要求的數(shù)值結(jié)果。

“有限元應(yīng)用與實(shí)踐課程”是我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的一門專業(yè)課程，教學(xué)內(nèi)容主要包括有限元理論的基礎(chǔ)知識(shí)和ANSYS軟件的實(shí)際應(yīng)用兩方面。以求為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)以及日后從事機(jī)設(shè)類相關(guān)工作打下良好基礎(chǔ)。

一、教學(xué)中面臨的主要問(wèn)題

按照目前有限元應(yīng)用與實(shí)踐課程的教學(xué)大綱，要求學(xué)生掌握有限元方法的基本原理、可自行編寫相對(duì)簡(jiǎn)單的有限元分析程序以加深了解以及培養(yǎng)學(xué)生將實(shí)際工程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為合適的計(jì)算模型，利用有限元軟件進(jìn)行分析和計(jì)算解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

從目前有限元應(yīng)用與實(shí)踐課程來(lái)看，仍存在些問(wèn)題：該課程存在理論性與應(yīng)用性并重的特點(diǎn)。傳統(tǒng)教學(xué)方法以教師講授為主，局限于教材內(nèi)容。而且，有限元的理論知識(shí)對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，需要學(xué)生有一定的彈性力學(xué)基礎(chǔ)，這對(duì)于非力學(xué)類學(xué)生來(lái)說(shuō)難度較大，學(xué)生普遍認(rèn)為枯燥乏味，沒(méi)有學(xué)習(xí)興趣。在此背景之下，我們對(duì)該課程進(jìn)行了一些教學(xué)探索。

二、課程教學(xué)探索

首先，教材的選擇使用直接影響到課程的教學(xué)效果。選擇一本合適的有限元教材并不容易，許多教材都是有關(guān)通用有限元軟件的使用介紹或純有限元理論知識(shí)。經(jīng)過(guò)精挑細(xì)選，我們選擇了曾攀的《有限元基礎(chǔ)教程》一書作為教材，該書中綜合了有限元理論以及應(yīng)用實(shí)踐這兩方面內(nèi)容。

其次，在教學(xué)內(nèi)容和方法上進(jìn)行了一些改進(jìn)，采用講授與實(shí)踐相結(jié)合的方式。學(xué)習(xí)有限元方法，不但要掌握它的數(shù)學(xué)力學(xué)原理，更重要的是要深入實(shí)踐，這體現(xiàn)在兩個(gè)方面：親自寫出有限元分析的源程序，以及應(yīng)用著名軟件平臺(tái)解決一些典型實(shí)際問(wèn)題。由于課程課時(shí)偏少，在有限元方法理論部分進(jìn)行了合理的取舍， 更加注重培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力。在理論部分僅涉及所選教材的部分內(nèi)容，主要介紹有限元分析過(guò)程、桿梁結(jié)構(gòu)分析有限元方法以及部分連續(xù)體結(jié)構(gòu)分析有限元方法等知識(shí)，其余內(nèi)容可供學(xué)有余力以及有意愿進(jìn)一步深造的學(xué)生進(jìn)行自學(xué)參考之用。同時(shí)，為加深學(xué)生對(duì)有限元基本原理的理解，通過(guò)MATLAB編制有限元小程序的形式使學(xué)生能夠真正領(lǐng)會(huì)有限元方法的實(shí)質(zhì)。

此外，我們更加注重的是通過(guò)該課程培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。因此，實(shí)踐環(huán)節(jié)中主要學(xué)習(xí)的是大型有限元分析軟件ANSYS的應(yīng)用。其中主要包括力學(xué)模型的分析與簡(jiǎn)化、有限元軟件幾何模型建立方法、網(wǎng)格劃分、載荷及約束的簡(jiǎn)化、結(jié)果分析等內(nèi)容。通過(guò)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐分別掌握結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、熱分析、電場(chǎng)和磁場(chǎng)分析等方法。

最后的考核環(huán)節(jié)重點(diǎn)考察有限元基本理論知識(shí)的理解程度以及將實(shí)際工程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為合適的計(jì)算模型并運(yùn)用有限元方法解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。通過(guò)對(duì)實(shí)踐考核的重視，能夠培養(yǎng)學(xué)生良好的思維方式，能夠?qū)⒆约簩I(yè)知識(shí)更好的聯(lián)系實(shí)際問(wèn)題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)“有限元應(yīng)用與實(shí)踐”課程的一些特點(diǎn)以及存在的些許問(wèn)題進(jìn)行了分析，對(duì)該課程教學(xué)內(nèi)容選取、教學(xué)方法以及考核環(huán)節(jié)提出了個(gè)人意見，通過(guò)該途徑可以使學(xué)生具有簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)并分析計(jì)算實(shí)際工程問(wèn)題的能力。但同時(shí)將不遺余力的摸索更好的教學(xué)方法，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇芳，成禮智，唐玲艷，王紅霞.有限元方法及其應(yīng)用課程教學(xué)實(shí)踐與探索[J].湘南學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，35（2）：57-59.

[2]曾攀.有限元基礎(chǔ)教程[M].北京：高等教育出版社，2009.endprint