机械有限元课程在本科教学中的建设与实践

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摘 要 为了培养具有创新和创业能力、适应社会需要的高素质专业人才，本院将机械有限元分析这门课程加入到本科的教学计划中来满足社会对人才的需求。本文通过分析在本科阶段开设有限元分析课程的必要性，针对目前教学中存在的问题，根据几年的教学经验提出了一些具体改革措施。

关键词 有限元法 ANSYS 实践

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.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

有限单元法是伴随着电子计算机技术的普及应用而迅速发展起来的一种非常有效的数值计算方法，在当今工程分析中获得最为广泛的应用。目前有限元法已经成为工程设计和科研领域不可或缺的一项重要技术和分析手段，解决了大量的实际问题。而ANSYS是一种应用十分广泛的通用有限元分析软件，集结构、流体、热、电磁、声学于一体。因此有限单元法和ANSYS的应用也普遍列入研究生的学位课程，在部分院校也慢慢推广到本科课程的教学中。

为了培养具有创新和创业能力、适应社会需要的高素质专业人才，体现“强专业、重实践、个性化”的教学思路，我院机电学部在本科教学中开设了“机械有限元分析”课程。本课程是针对机械设计制造及其自动化专业的本科生所开设的一门专业选修课，重点介绍有限单元法的基本原理和方法、有限元分析软件ANSYS的功能、分析步骤和具体的操作，同时结合工程实际，为他们进一步学习进而参加科研工作开辟道路。其任务是对先修课程中所学知识的综合运用和新知识的获取，使学生初步掌握现代设计中的一种重要方法，开阔视野，提高能力，以适应科学技术发展的要求。

1 在本科阶段开设“机械有限元分析”的必要性

现代科学技术的发展与计算机的广泛应用，在机械设计中提出了现代设计方法，CAD/CAM/CAE成为了基本工具，作为CAE工具重要组成之一的有限元法，更是成为机械设计必不可少的工具。CAD工具用于产品结构设计，形成产品的数字化模型。而有限元法主要用于产品性能的分析与仿真，可以缩减产品设计周期，降低成本，增加产品和工程的可靠性等，因此受到越来越多企业的重视。

在本科机械专业的教学过程中，开设“机械有限元分析”可以使学生从理论和实践中深切体会到有限元法在产品研发中的重要作用，培养学生在机械设计中应用有限元技术进行结构分析和应用的能力，使学生在进行机械设计的时候考虑到结构和性能方面的要求，满足社会对人才的需求。同时有限单元法使学生专业综合能力有了很大的提高，CAE技术是现代设计方法的最后一个环节，学习有限单元法使学生对现代设计方法有了整体的学习。学生除了会用一些CAD软件来设计机械产品外，还可以用CAE技术来对设计的产品进行分析和实验，从而可以完成机械设计的整个过程。更重要的是提高了学生的创新意识和能力，提高了学生的工程素质。因此该课程在本科机械专业的教学计划中具有重要作用。

2 机械有限元法在本科教学中存在的问题

该课程在本学院的机械设计及自动化专业已经开设了五年，通过近五年的教学实践发现在教学中存在一些问题。首先是学生对这门课程存在抵触心理，认为机械有限元分析是研究生阶段开设的课程，理论性太强，还没有开始接触就认为太难学不会。其次是学生的一些理论知识的不足，由于有限元课程涉及大量的材料力学，弹性力学、矩阵理论、数值计算等复杂理论知识，这些都是研究生阶段才掌握的知识，对于本科生来说难度很大。例如在涉及到一些矩阵计算时，有些学生反映这些知识都是很早以前学的，再重新提起时有些不记得了。还有学生计算机能力的程度不同也将影响到本门课程的学习。ANSYS软件提供了两种工作模式，即GUI方式和命令输入方式。ANSYS的一个最大优点就是可以使用参数化的命令流，因此学习ANSYS最终要非常熟练地使用命令流。这就要求学生有一定的软件程序编写基础，而这也就给机械专业的学生增加了学习任务。

3 机械有限元法在本科教学中实施的具体措施

针对以上问题，结合本科学生的实际情况，通过这几年的教学实践，提出几点具体措施。

3.1 提高学生学习兴趣

为了解决学生的抵触心理，使学生对这门课程产生兴趣，如何上好第一堂课成为关键，毕竟良好的开始是成功的一半。所以笔者在第一堂课时主要为学生讲解一个典型的ANSYS实例，指导学生跟着一起做，通过自己实际的操作来使学生认识有限元和ANSYS软件，让学生看到自己也能用ANSYS软件分析机械零件，并可以通过动画演示直观看到零件的应力应变变化情况，从而大大提高的学生学习这门课程的兴趣。之后通过大量的工程实例和ANSYS直观的图形、动画等向学生讲解有限元在机械行业的应用和重要性，让学生正确对待这门课程。

其次是针对本科学生的理论基础，选择合适的讲授内容。在讲解有限单元法理论知识的时候，将复杂的东西简单化，尽量避开一些复杂的数值计算，同时在理论教学的过程中与实践相结合的方法来教学，例如在讲解轴对称问题的有限元分析时，插入用ANSYS软件来分析轴对称问题的分析过程，查看分析结果图片直观的让学生理解理论知识。通过理论和实践相结合的方法使学生明白原来学习这门课程也不是那么的难。

3.2 选择合适的教材

目前有限元方面的教材主要分为两种，一种是有限单元法的理论知识，一种是有限元软件ANSYS应用的学习手册。对于只有理论知识的教材容易让学生产生畏惧和厌烦心理，而软件的学习必须建立在理论知识的基础上。所以根据以上两个因素的考虑，笔者选用王新荣、初旭宏主编的《ANSYS有限元基础教程》，该教材主要针对高等院校各理工科专业本科生的需要而编写，教材分为两大篇，前一篇主要介绍有限元法的基本理论与方法；第二篇主要介绍ANSYS软件的操作及工程应用。该教材编写由浅入深、通俗易懂，适合机械工程专业本科生的学习。同时笔者在教学的过程中也加入了大量的工程应用实例，增加学生解决实际问题的能力，同时将前面的专业知识与有限元结合起来，提高学生的专业综合能力。

3.3 注重教学的实践环节

很多学校的机械专业在研究生阶段都开设有有限元分析这门课程，但是一般只是注重理论知识的学习和研究，而对有限元软件ANSYS的学习讲解很少。由于有限元课程涉及大量的材料力学，弹性力学和高等数学等理论知识，对于本科生来说难度有点大，所以在本科教学中，主要以讲授有限元分析软件ANSYS的应用为主，以有限元分析的理论知识为辅。在实践教学环节中，有针对性的地选择机械工程中典型的结构作为案例，将有限元软件的各种功能及操作贯穿在实际的结构分析中，将学生学过的机械设计、机械原理及材料力学等课程贯穿进去，也是对学生的一种综合能力的锻炼。例如选择机械设计课程设计中减速器的输出轴作为研究对象，通过对输出轴进行有限元分析的练习，将机械设计中轴的受力分析和结构设计等内容联系起来，培养学生机械设计的综合能力。

在进行实践教学的环节中，通过上机实践使学生真正掌握有限元分析软件的应用。实现学生一人一台电脑，让学生能够跟着老师一步一步的进行学习，这样才能加深学生对有限元理论知识的理解和培养学生实际动手解决问题的能力。在学生上机的过程中，使学生真正体会到用有限元方法分析问题的整个过程，同时也增加了学生学习的积极性。 通过近几年的教学实践也证实了上机实践取得了很好的成效。

3.4 采用交互式界面操作教学

针对本科学生自身的特点，在ANSYS软件的教学过程中以讲解交互式界面操作为主。主要让学生能够熟练的用界面操作完成有限元分析，在实践教学中，选择大量的机械方面的实际例子，培养学生的综合能力和分析能力。在学生能够熟练掌握有限元分析过程和基本操作之后，再讲解用APDL参数化语言来完成有限元分析，让学生对ANSYS软件有一个全面的认识的同时，也增强了学生的软件编写能力。

4 结束语

有限单元法广泛用于机械行业，应用有限单元法可以缩短周期，节约成本，在机械设计已经成为一个重要的工具，所以在本科阶段开设机械有限单元法成为了社会的需要，也存在一定的难度。因此要结合本科生的特点，在基本的理论基础上将讲课的重点放到实践应用上。在教学中充分利用多媒体教学手段，对学生进行有限元分析的基本训练。通过近几年在机械设计及自动化专业中的实践，学生能熟练掌握ANSYS软件的使用，并且在结构分析和应用的能力上有所提高，不仅为本专业进一步的学习打下良好基础，同时也受到招聘机械设计人才的用人单位欢迎。

参考文献

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