機械有限元課程在本科教學(xué)中的建設(shè)與實踐

孟超瑩

摘 要 為了培養(yǎng)具有創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力、適應(yīng)社會需要的高素質(zhì)專業(yè)人才，本院將機械有限元分析這門課程加入到本科的教學(xué)計劃中來滿足社會對人才的需求。本文通過分析在本科階段開設(shè)有限元分析課程的必要性，針對目前教學(xué)中存在的問題，根據(jù)幾年的教學(xué)經(jīng)驗提出了一些具體改革措施。

關(guān)鍵詞 有限元法 ANSYS 實踐

中圖分類號：G424 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.10.040

Abstract In order to cultivate high quality professional talents with innovation and entrepreneurial ability， to meet the needs of the society， the mechanical finite element analysis course is added to the undergraduate teaching program in this college.In this paper， by analyzing the necessity of setting up the course of finite element analysis in the undergraduate teaching， based at the existing problems in the present teaching， the author has put forward some concrete measures according to several years of teaching experience.

Keywords the finite element method； ANSYS； practice

0 引言

有限單元法是伴隨著電子計算機技術(shù)的普及應(yīng)用而迅速發(fā)展起來的一種非常有效的數(shù)值計算方法，在當(dāng)今工程分析中獲得最為廣泛的應(yīng)用。目前有限元法已經(jīng)成為工程設(shè)計和科研領(lǐng)域不可或缺的一項重要技術(shù)和分析手段，解決了大量的實際問題。而ANSYS是一種應(yīng)用十分廣泛的通用有限元分析軟件，集結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁、聲學(xué)于一體。因此有限單元法和ANSYS的應(yīng)用也普遍列入研究生的學(xué)位課程，在部分院校也慢慢推廣到本科課程的教學(xué)中。

為了培養(yǎng)具有創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力、適應(yīng)社會需要的高素質(zhì)專業(yè)人才，體現(xiàn)“強專業(yè)、重實踐、個性化”的教學(xué)思路，我院機電學(xué)部在本科教學(xué)中開設(shè)了“機械有限元分析”課程。本課程是針對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的本科生所開設(shè)的一門專業(yè)選修課，重點介紹有限單元法的基本原理和方法、有限元分析軟件ANSYS的功能、分析步驟和具體的操作，同時結(jié)合工程實際，為他們進一步學(xué)習(xí)進而參加科研工作開辟道路。其任務(wù)是對先修課程中所學(xué)知識的綜合運用和新知識的獲取，使學(xué)生初步掌握現(xiàn)代設(shè)計中的一種重要方法，開闊視野，提高能力，以適應(yīng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的要求。

1 在本科階段開設(shè)“機械有限元分析”的必要性

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與計算機的廣泛應(yīng)用，在機械設(shè)計中提出了現(xiàn)代設(shè)計方法，CAD/CAM/CAE成為了基本工具，作為CAE工具重要組成之一的有限元法，更是成為機械設(shè)計必不可少的工具。CAD工具用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，形成產(chǎn)品的數(shù)字化模型。而有限元法主要用于產(chǎn)品性能的分析與仿真，可以縮減產(chǎn)品設(shè)計周期，降低成本，增加產(chǎn)品和工程的可靠性等，因此受到越來越多企業(yè)的重視。

在本科機械專業(yè)的教學(xué)過程中，開設(shè)“機械有限元分析”可以使學(xué)生從理論和實踐中深切體會到有限元法在產(chǎn)品研發(fā)中的重要作用，培養(yǎng)學(xué)生在機械設(shè)計中應(yīng)用有限元技術(shù)進行結(jié)構(gòu)分析和應(yīng)用的能力，使學(xué)生在進行機械設(shè)計的時候考慮到結(jié)構(gòu)和性能方面的要求，滿足社會對人才的需求。同時有限單元法使學(xué)生專業(yè)綜合能力有了很大的提高，CAE技術(shù)是現(xiàn)代設(shè)計方法的最后一個環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)有限單元法使學(xué)生對現(xiàn)代設(shè)計方法有了整體的學(xué)習(xí)。學(xué)生除了會用一些CAD軟件來設(shè)計機械產(chǎn)品外，還可以用CAE技術(shù)來對設(shè)計的產(chǎn)品進行分析和實驗，從而可以完成機械設(shè)計的整個過程。更重要的是提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力，提高了學(xué)生的工程素質(zhì)。因此該課程在本科機械專業(yè)的教學(xué)計劃中具有重要作用。

2 機械有限元法在本科教學(xué)中存在的問題

該課程在本學(xué)院的機械設(shè)計及自動化專業(yè)已經(jīng)開設(shè)了五年，通過近五年的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)在教學(xué)中存在一些問題。首先是學(xué)生對這門課程存在抵觸心理，認為機械有限元分析是研究生階段開設(shè)的課程，理論性太強，還沒有開始接觸就認為太難學(xué)不會。其次是學(xué)生的一些理論知識的不足，由于有限元課程涉及大量的材料力學(xué)，彈性力學(xué)、矩陣?yán)碚?、?shù)值計算等復(fù)雜理論知識，這些都是研究生階段才掌握的知識，對于本科生來說難度很大。例如在涉及到一些矩陣計算時，有些學(xué)生反映這些知識都是很早以前學(xué)的，再重新提起時有些不記得了。還有學(xué)生計算機能力的程度不同也將影響到本門課程的學(xué)習(xí)。ANSYS軟件提供了兩種工作模式，即GUI方式和命令輸入方式。ANSYS的一個最大優(yōu)點就是可以使用參數(shù)化的命令流，因此學(xué)習(xí)ANSYS最終要非常熟練地使用命令流。這就要求學(xué)生有一定的軟件程序編寫基礎(chǔ)，而這也就給機械專業(yè)的學(xué)生增加了學(xué)習(xí)任務(wù)。

3 機械有限元法在本科教學(xué)中實施的具體措施

針對以上問題，結(jié)合本科學(xué)生的實際情況，通過這幾年的教學(xué)實踐，提出幾點具體措施。

3.1 提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

為了解決學(xué)生的抵觸心理，使學(xué)生對這門課程產(chǎn)生興趣，如何上好第一堂課成為關(guān)鍵，畢竟良好的開始是成功的一半。所以筆者在第一堂課時主要為學(xué)生講解一個典型的ANSYS實例，指導(dǎo)學(xué)生跟著一起做，通過自己實際的操作來使學(xué)生認識有限元和ANSYS軟件，讓學(xué)生看到自己也能用ANSYS軟件分析機械零件，并可以通過動畫演示直觀看到零件的應(yīng)力應(yīng)變變化情況，從而大大提高的學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的興趣。之后通過大量的工程實例和ANSYS直觀的圖形、動畫等向?qū)W生講解有限元在機械行業(yè)的應(yīng)用和重要性，讓學(xué)生正確對待這門課程。

其次是針對本科學(xué)生的理論基礎(chǔ)，選擇合適的講授內(nèi)容。在講解有限單元法理論知識的時候，將復(fù)雜的東西簡單化，盡量避開一些復(fù)雜的數(shù)值計算，同時在理論教學(xué)的過程中與實踐相結(jié)合的方法來教學(xué)，例如在講解軸對稱問題的有限元分析時，插入用ANSYS軟件來分析軸對稱問題的分析過程，查看分析結(jié)果圖片直觀的讓學(xué)生理解理論知識。通過理論和實踐相結(jié)合的方法使學(xué)生明白原來學(xué)習(xí)這門課程也不是那么的難。

3.2 選擇合適的教材

目前有限元方面的教材主要分為兩種，一種是有限單元法的理論知識，一種是有限元軟件ANSYS應(yīng)用的學(xué)習(xí)手冊。對于只有理論知識的教材容易讓學(xué)生產(chǎn)生畏懼和厭煩心理，而軟件的學(xué)習(xí)必須建立在理論知識的基礎(chǔ)上。所以根據(jù)以上兩個因素的考慮，筆者選用王新榮、初旭宏主編的《ANSYS有限元基礎(chǔ)教程》，該教材主要針對高等院校各理工科專業(yè)本科生的需要而編寫，教材分為兩大篇，前一篇主要介紹有限元法的基本理論與方法；第二篇主要介紹ANSYS軟件的操作及工程應(yīng)用。該教材編寫由淺入深、通俗易懂，適合機械工程專業(yè)本科生的學(xué)習(xí)。同時筆者在教學(xué)的過程中也加入了大量的工程應(yīng)用實例，增加學(xué)生解決實際問題的能力，同時將前面的專業(yè)知識與有限元結(jié)合起來，提高學(xué)生的專業(yè)綜合能力。

3.3 注重教學(xué)的實踐環(huán)節(jié)

很多學(xué)校的機械專業(yè)在研究生階段都開設(shè)有有限元分析這門課程，但是一般只是注重理論知識的學(xué)習(xí)和研究，而對有限元軟件ANSYS的學(xué)習(xí)講解很少。由于有限元課程涉及大量的材料力學(xué)，彈性力學(xué)和高等數(shù)學(xué)等理論知識，對于本科生來說難度有點大，所以在本科教學(xué)中，主要以講授有限元分析軟件ANSYS的應(yīng)用為主，以有限元分析的理論知識為輔。在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，有針對性的地選擇機械工程中典型的結(jié)構(gòu)作為案例，將有限元軟件的各種功能及操作貫穿在實際的結(jié)構(gòu)分析中，將學(xué)生學(xué)過的機械設(shè)計、機械原理及材料力學(xué)等課程貫穿進去，也是對學(xué)生的一種綜合能力的鍛煉。例如選擇機械設(shè)計課程設(shè)計中減速器的輸出軸作為研究對象，通過對輸出軸進行有限元分析的練習(xí)，將機械設(shè)計中軸的受力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計等內(nèi)容聯(lián)系起來，培養(yǎng)學(xué)生機械設(shè)計的綜合能力。

在進行實踐教學(xué)的環(huán)節(jié)中，通過上機實踐使學(xué)生真正掌握有限元分析軟件的應(yīng)用。實現(xiàn)學(xué)生一人一臺電腦，讓學(xué)生能夠跟著老師一步一步的進行學(xué)習(xí)，這樣才能加深學(xué)生對有限元理論知識的理解和培養(yǎng)學(xué)生實際動手解決問題的能力。在學(xué)生上機的過程中，使學(xué)生真正體會到用有限元方法分析問題的整個過程，同時也增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。 通過近幾年的教學(xué)實踐也證實了上機實踐取得了很好的成效。

3.4 采用交互式界面操作教學(xué)

針對本科學(xué)生自身的特點，在ANSYS軟件的教學(xué)過程中以講解交互式界面操作為主。主要讓學(xué)生能夠熟練的用界面操作完成有限元分析，在實踐教學(xué)中，選擇大量的機械方面的實際例子，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和分析能力。在學(xué)生能夠熟練掌握有限元分析過程和基本操作之后，再講解用APDL參數(shù)化語言來完成有限元分析，讓學(xué)生對ANSYS軟件有一個全面的認識的同時，也增強了學(xué)生的軟件編寫能力。

4 結(jié)束語

有限單元法廣泛用于機械行業(yè)，應(yīng)用有限單元法可以縮短周期，節(jié)約成本，在機械設(shè)計已經(jīng)成為一個重要的工具，所以在本科階段開設(shè)機械有限單元法成為了社會的需要，也存在一定的難度。因此要結(jié)合本科生的特點，在基本的理論基礎(chǔ)上將講課的重點放到實踐應(yīng)用上。在教學(xué)中充分利用多媒體教學(xué)手段，對學(xué)生進行有限元分析的基本訓(xùn)練。通過近幾年在機械設(shè)計及自動化專業(yè)中的實踐，學(xué)生能熟練掌握ANSYS軟件的使用，并且在結(jié)構(gòu)分析和應(yīng)用的能力上有所提高，不僅為本專業(yè)進一步的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)，同時也受到招聘機械設(shè)計人才的用人單位歡迎。

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