趙洋+鄧聰穎

摘 要 有限單元法在機械設(shè)計領(lǐng)域中占據(jù)重要地位，是機設(shè)類學(xué)生需要掌握的一種重要現(xiàn)代機械設(shè)計方法。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。為了增強課程的教學(xué)效果，提高學(xué)生的工程意識，對“有限元應(yīng)用與實踐”課程進行了一些探索。

關(guān)鍵詞 有限單元法 ANSYS 實踐教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-7661（2017）17-0015-01

有限單元法是隨著計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門現(xiàn)代計算方法。在工程分析和科學(xué)研究中，常常會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問題，如位移場、應(yīng)力場、流場和溫度場等。推導(dǎo)這些方程并不十分困難，但對于很多實際工程問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)。隨著計算機技術(shù)和計算方法的發(fā)展，復(fù)雜工程問題可采用有限單元數(shù)值計算方法并借助計算機得到滿足一定精度要求的數(shù)值結(jié)果。

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

一、教學(xué)中面臨的主要問題

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

從目前有限元應(yīng)用與實踐課程來看，仍存在些問題：該課程存在理論性與應(yīng)用性并重的特點。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，有限元的理論知識對數(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)，這對于非力學(xué)類學(xué)生來說難度較大，學(xué)生普遍認(rèn)為枯燥乏味，沒有學(xué)習(xí)興趣。在此背景之下，我們對該課程進行了一些教學(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。經(jīng)過精挑細選，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)用實踐這兩方面內(nèi)容。

其次，在教學(xué)內(nèi)容和方法上進行了一些改進，采用講授與實踐相結(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踐，這體現(xiàn)在兩個方面：親自寫出有限元分析的源程序，以及應(yīng)用著名軟件平臺解決一些典型實際問題。由于課程課時偏少，在有限元方法理論部分進行了合理的取舍， 更加注重培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力。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，其余內(nèi)容可供學(xué)有余力以及有意愿進一步深造的學(xué)生進行自學(xué)參考之用。同時，為加深學(xué)生對有限元基本原理的理解，通過MATLAB編制有限元小程序的形式使學(xué)生能夠真正領(lǐng)會有限元方法的實質(zhì)。

此外，我們更加注重的是通過該課程培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。因此，實踐環(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、載荷及約束的簡化、結(jié)果分析等內(nèi)容。通過學(xué)生的動手實踐分別掌握結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、隨機振動分析、熱分析、電場和磁場分析等方法。

最后的考核環(huán)節(jié)重點考察有限元基本理論知識的理解程度以及將實際工程結(jié)構(gòu)簡化為合適的計算模型并運用有限元方法解決實際工程問題的能力。通過對實踐考核的重視，能夠培養(yǎng)學(xué)生良好的思維方式，能夠?qū)⒆约簩I(yè)知識更好的聯(lián)系實際問題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

三、結(jié)束語

本文針對“有限元應(yīng)用與實踐”課程的一些特點以及存在的些許問題進行了分析，對該課程教學(xué)內(nèi)容選取、教學(xué)方法以及考核環(huán)節(jié)提出了個人意見，通過該途徑可以使學(xué)生具有簡化設(shè)計工程結(jié)構(gòu)并分析計算實際工程問題的能力。但同時將不遺余力的摸索更好的教學(xué)方法，達到更好的教學(xué)效果。

參考文獻：

[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)實踐與探索[J].湘南學(xué)院學(xué)報，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