有限元分析技術(shù)在機械專業(yè)學(xué)生實踐教學(xué)改革中的應(yīng)用

摘要：機械專業(yè)學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)和提高是當(dāng)今工科院校人才培養(yǎng)的重點。在現(xiàn)有人才培養(yǎng)體系基礎(chǔ)上，融有限元分析技術(shù)于專業(yè)認(rèn)知教育、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和實驗教學(xué)等實踐教學(xué)改革活動中，達到拓寬學(xué)生專業(yè)知識面和熟練使用CAE軟件進行工程實際分析的目的，培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程實踐能力，增強學(xué)生的就業(yè)核心競爭力。

關(guān)鍵詞：有限元分析技術(shù)；機械專業(yè)；工程實踐能力；教學(xué)改革

作者簡介：黃霞（1977-），女，四川射洪人，重慶理工大學(xué)機械工程學(xué)院，講師；丁軍（1978-），男，重慶人，重慶理工大學(xué)機械工程學(xué)院，副教授。（重慶 400054）

基金項目：本文系重慶理工大學(xué)2013年高等教育教學(xué)改革研究課題（課題編號：2013YB04）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）05-0179-01

工科學(xué)生特別是機械專業(yè)學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)是當(dāng)今工科院校人才培養(yǎng)的重點和核心，為培養(yǎng)出能快速適應(yīng)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計和加工制造等生產(chǎn)實際環(huán)節(jié)的應(yīng)用型人才，必須在四年大學(xué)本科教育過程中塑造和提高學(xué)生的工程實際能力。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》、《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》（教高[2012]4號）和《教育部等部門關(guān)于進一步加強高校實踐育人的若干意見》（教思政[2012]1號）等國家和教育部文件都明確強調(diào)高等工科院校要十分重視學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)。[1，2]在當(dāng)今世界產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，世界重要工業(yè)發(fā)達國家重新回歸高新技術(shù)制造業(yè)時代，先進設(shè)計、分析和制造技術(shù)在我國加快培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和調(diào)整過程中顯得尤為重要。

有限元分析技術(shù)是一種數(shù)值分析技術(shù)，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，其在現(xiàn)代工業(yè)特別是裝備制造業(yè)、高端裝備制造業(yè)、智能制造、汽車、國防和軍工等行業(yè)中的使用越來越廣泛，目前已經(jīng)成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計過程中不可或缺的工具。特別是近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，硬件技術(shù)已經(jīng)不再是制約數(shù)值分析的主要技術(shù)瓶頸，有限元的發(fā)展十分迅猛，其已經(jīng)成為機械專業(yè)方向研究生以上層次人才的必備工具。以重慶理工大學(xué)機械工程學(xué)院為例，為了使畢業(yè)生能快速適應(yīng)企業(yè)的生產(chǎn)實際活動，以及滿足畢業(yè)讀研的同學(xué)在高層次學(xué)習(xí)活動中快速開展科學(xué)研究活動的需要，有必要在大學(xué)四年本科學(xué)習(xí)中通過專業(yè)認(rèn)知教育、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和實驗教學(xué)等實踐教學(xué)改革教會學(xué)生熟練掌握有限元分析技術(shù)的能力，培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程實踐能力，增強學(xué)生的核心就業(yè)競爭力。[3，4]

一、面向產(chǎn)業(yè)需求，開展專業(yè)認(rèn)知教育

以重慶理工大學(xué)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)為例，該專業(yè)是機械工程學(xué)院重點發(fā)展的優(yōu)勢和核心專業(yè)。按照專業(yè)現(xiàn)行人才培養(yǎng)方案，新生開學(xué)時都需要進行專業(yè)認(rèn)知教育。為了培養(yǎng)新生的有限元分析技術(shù)意識，面向裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，在機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)具有較強有限元分析技術(shù)水平的教師的帶領(lǐng)下，組織學(xué)生參觀重慶市內(nèi)在有限元分析方面使用較多、較為成功的行業(yè)領(lǐng)頭企業(yè)，如中國汽車工程研究院、長安汽車研究院、力帆集團和建設(shè)摩托等骨干企業(yè)。通過行業(yè)企業(yè)資深CAE分析工程師的案例講解和虛擬仿真演示等教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)意識，為后續(xù)四年大學(xué)學(xué)習(xí)奠定專業(yè)基礎(chǔ)。

二、學(xué)習(xí)有限元分析軟件，貫穿課程設(shè)計過程

機械專業(yè)學(xué)生初次課程設(shè)計是在大學(xué)二年級的“機械原理”和“機械設(shè)計”的學(xué)習(xí)中，以這兩次課程設(shè)計為契機，充分培養(yǎng)學(xué)生使用有限元分析軟件的能力，達到熟練操作有限元分析軟件的目的。目前市面上流行多種有限元分析軟件，以國外的MSC Patran Nastran，ABAQUS和ANSYS等主流軟件為主，間或有些二次開發(fā)的國產(chǎn)CAE分析軟件，另外部分CAD軟件也帶有部分CAE分析功能，如CATIA等。為了培養(yǎng)學(xué)生畢業(yè)后在大型行業(yè)企業(yè)從事設(shè)計分析的能力，應(yīng)為學(xué)生指定學(xué)習(xí)的主流CAE分析軟件，這對導(dǎo)師也提出了一定的要求，每一種主流軟件都有一個主要面向的領(lǐng)域，如機械結(jié)構(gòu)靜力分析、接觸分析等領(lǐng)域ABAQUS較為擅長；機械運動特性如速度、加速度、振動特性等Nastran較為偏向；機構(gòu)運動學(xué)仿真等ADAMS較為專業(yè)。結(jié)合學(xué)生在課程設(shè)計主要依靠的三維CAD軟件，引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計初步思路，提高課程設(shè)計的質(zhì)量（見圖1）。

三、利用有限元分析技術(shù)，搭建虛擬仿真實驗平臺

實驗教學(xué)活動為學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)和提升提供了一個真實直觀、可以動手操作的平臺，CAE仿真分析技術(shù)在裝備產(chǎn)品設(shè)計過程中占有十分重要的地位，其重要性在于提高產(chǎn)品設(shè)計的準(zhǔn)確度和精度，并大幅提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，縮短產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)周期。CAE仿真分析平臺主要包含裝備零部件力學(xué)性能仿真、零部件運動學(xué)仿真以及裝備零部件動力學(xué)仿真等。如依托CATIA等三維設(shè)計軟件，利用精密三坐標(biāo)測量機、激光掃描測量臂、機器視覺測量系統(tǒng)等，對零部件實物模型進行計算機逆向工程，獲取數(shù)學(xué)模型，完成裝備零部件工業(yè)造型的前期創(chuàng)意、詳細(xì)設(shè)計與方案評審、三維效果圖展示、工業(yè)模型制作等。如在力學(xué)性能測試實驗系列課程方面，在實驗教師的指導(dǎo)下，在計算機上利用通用有限元分析軟件對拉伸實驗、扭轉(zhuǎn)實驗、貼應(yīng)變片等實驗做一個前期的CAE有限元分析，然后將數(shù)值模擬分析結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比和分析，找出實驗與數(shù)值分析之間的差距，改進CAE分析模型或調(diào)整實驗方案，加深學(xué)生對力學(xué)基本性能參數(shù)和基礎(chǔ)力學(xué)測試技術(shù)的掌握，同時夯實學(xué)生的力學(xué)基礎(chǔ)，提升其力學(xué)理論水平和專業(yè)素養(yǎng)。

四、熟練使用有限元分析技術(shù)，提高畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量

畢業(yè)設(shè)計是機械專業(yè)學(xué)生人才培養(yǎng)體系中的重要組成部分；是學(xué)生進行全面專業(yè)訓(xùn)練的重要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)；是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和基本技能，提高學(xué)生綜合運用所學(xué)機械基礎(chǔ)理論、機械專業(yè)知識，分析和解決實際工程問題的能力的重要步驟；是全面培養(yǎng)和提高工程實踐能力，提升學(xué)校人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要平臺。經(jīng)過專業(yè)認(rèn)知教育，學(xué)生可以獲得有限元分析技術(shù)意識；通過課程設(shè)計，掌握學(xué)習(xí)有限元分析軟件；通過仿真教學(xué)平臺，直觀體會有限元分析等虛擬仿真技術(shù)的使用等系列化的實踐和訓(xùn)練，具備利用有限元分析軟件對簡單工程實際問題進行分析和解決的能力。因此，為了熟練使用和強化所學(xué)的有限元分析知識，根據(jù)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計課題選題的實際情況，建議教師在學(xué)生的畢業(yè)實習(xí)實踐過程中融入有限元分析等虛擬仿真分析技術(shù)，形成系列而又系統(tǒng)的分析設(shè)計流程。

學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計開始時，通過查閱相關(guān)資料，建立一個粗略的FEM模型，采用有限元分析軟件對設(shè)計結(jié)果和成型產(chǎn)品進行預(yù)估分析，形成初步設(shè)計方案?；诖?，通過力學(xué)計算如強度、剛度的計算等，借助如ABAQUS等CAE分析軟件來完成或者對其理論結(jié)果的正確性進行驗證。獲得設(shè)計的二次方案，對設(shè)計過程中的相關(guān)參數(shù)進行進一步的優(yōu)化和核算，然后建立一個較之前更準(zhǔn)確的有限元分析模型，采用ABAQUS、ADAMS等軟件對方案進行靜強度和剛度的靜力學(xué)分析、機構(gòu)運動的運動學(xué)分析以及運動干涉性分析和接觸分析等。并基于分析結(jié)果再次優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，確定最終方案，并采用三維CAD軟件成圖，最后采用CAM技術(shù)進行虛擬加工制造等。通過這樣一個設(shè)計分析過程，較為真實的模擬了工業(yè)生產(chǎn)實際活動中的設(shè)計、分析和制造等過程，嚴(yán)格按照該過程執(zhí)行畢業(yè)設(shè)計，可以極大地提高學(xué)生的工程實踐能力和畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量（見圖2）。

五、結(jié)束語

有限元分析技術(shù)在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中發(fā)揮著巨大的作用，讓學(xué)生將有限元分析技術(shù)通過專業(yè)認(rèn)知教育、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和實驗教學(xué)等系列連續(xù)的實踐教學(xué)過程，使學(xué)生在學(xué)習(xí)好機械專業(yè)知識的同時，也能熟練使用CAE軟件進行工程實際分析，并注重在畢業(yè)設(shè)計過程中得到重點訓(xùn)練和使用，提高了畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量，培養(yǎng)和提高了學(xué)生的工程實踐能力，增強了學(xué)生的就業(yè)核心競爭力。

參考文獻：

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[2]杜靜，何玉林.機械CAD/CAE應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[3]張中利，黨玉功.CAD/CAE在機械設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2012，（4）：84-85.

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（責(zé)任編輯：孫晴）