《有限元分析与应用》课程实验环节的分析与研究

钱茹，卞鸽，杨星星，王石莉

《有限元分析与应用》课程实验环节的分析与研究

钱茹，卞鸽，杨星星，王石莉

(东南大学成贤学院机械工程系，江苏南京210088)

伴随着《中国制造2025》的制定与实施，结合社会对高层次需求的剧增和现有应用型本科机械专业学生实践的不足，在《有限元分析与应用》课程中设置实验验证模型环节，在此基础上进行结构分析与优化设计，从而提高学生的实践能力和创新能力。

实验验证；有限元；创新设计

在《中国制造2025》制定与实施的背景下，社会与政府对高层次人才需求的日益剧增，高校加强应用型本科人才工程分析能力培养有助于学生的素质和水平。但是长期以来，对该课程（此处都没有引出课程，怎么能用该呢）的认识存在偏颇之处：有限元仿真适合研究型本科人才培养；教学偏重理论，忽视工程实践；重视计算机仿真，缺乏实验验证环节。因此，针对应用型本科人才，正确合理地进行课程定位，培养学生的实际动手能力、理论指导实践的能力以及创新能力，使之成为高素质工程技术人才，对该课程实验和理论教学内容的设置进行新的尝试与改革是教师的责任和义务。

对于机械相关企业，采用先进的全数字化的设计和高精度的模拟对新产品进行分析是降低产品研发成本的有效途径。有限元方法作为求解各种复杂数学问题的数值计算方法，可为机械、建筑、土木等各类工业产品设计和性能分析提供可靠依据，已成为解决实际问题非常重要的工具和手段。因此，考虑到目前的发展趋势和社会需求，我校机械专业开设了《有限元分析及应用》课程。

过去，我院开设的这门课程，实验条件相对落后，学生动手机会较少；教学条件相对落后，理论教学基本在教室进行，辅以简单的幻灯片演示；上机课时少，除去教师的教学演示，学生的实践时间更少；缺乏验证计算机模拟正确性的实验环节，学生缺乏感性认识。但是自2015年，根据应用型本科人才教育在培养目标、人才规格、课程设置的特殊性，对该课程的教学内容设置、教学方式尤其是实践环节进行了调整和改进。

1 物理实验与有限元机仿真的关系

随着计算机的发展，各类有限元分析辅助软件走进高校，机械结构的力学分析可以通过软件实现。复杂机械零部件力学分析已无法通过手工计算完成，但是有限元软件模拟分析没有这样的限制，深受学生欢迎。但由此弊病凸现，不同人完成的有限元仿真结果因缺乏实验验证结果相别很大。如何利用计算机仿真的优势又确保分析的正确性，引起人们的思考。

采用有限元软件辅助结构分析具备了传统手工计算无与伦比的优点，如：ANSYS软件可以进行复杂箱体零件的力学计算，用云图或者具体数值来表达强度、刚度等，为机械专业学生所接受和喜欢。同时仿真软件强大的分析功能可以进行结构的优化，加速了学生对机械结构的理论应用与实践。在该课程的上机实验中，学生可根据实际零件尺寸进行三维建模、仿真分析以及结构优化，大大调动了学生的主观能动性，激发了学生的创新意识和工程实践能力。但这种缺乏实验验证的理论建模用来预测结构的力学性能往往是不可靠的。因此，面向“中国制造2025”培养高素质的应用型本科人才，《有限元分析及应用》课程应该首先设置测绘现有零部件、理论建模、实验验证环节，其次检验和校核计算机仿真模型，最后用该模型来预测结构设计、优化设计及改进后的力学性能分析。

2 实验设置

2.1 以复杂箱体零件为研究对象结合实验验证完成有限元仿真与分析

逆向工程获取零件结构尺寸

逆向工程，是以先进产品的实物、图纸等技术文件或影像资料等作为研究对象，应用先进设计理论、测试技术、伸长工程学、材料学等知识，对其进行系统的实验、研究和分析，从而掌握关键技术，从而开发更先进的同类产品过程。在该课程的实验环节，选择结构复杂的典型机械零件如减速器箱体作为研究对象。在掌握减速器箱体结构的工作原理、功能要求和结构特点的基础上，对其拆装和测绘，并使用Pro/ E与ANSYS软件完成三维实体模型和有限元模型。

2.2 验证模型正确性

模型的激励及响应若与物理实验吻合，我们认为这样的模型具有预测性。在该实验中，给定箱体零件在某具体位置10个不同的位移载荷，并通过应力应变检测仪采集在不同位置的应力应变数据。同时在ANSYS软件中建立箱体的有限元模型，通过调整模型的单元类型、实常数、网格密度等参数来确保测点位置应力应变的仿真数据与实际测试数据吻合。模型中有足够多的点的有限元计算值与实际测试值一致，我们认为此模型能真实反映物体的特性，用此模型进行的优化设计等各种后续分析计算的结果是可信的。全班可分组完成，每组测点不少于3个，每个测点的有限元仿真值要求与实际测试值的误差控制在10%以内。

2.3 在模型验证的基础上完成优化设计

在以上模型校核的基础上，以满足强度条件下质量最轻为目标函数进行优化设计，并且进一步对优化后的结构进行力学性能预测。

3 考核方式

该课程属于应用技术类课程，既有基本理论又有大量的上机环节，多年来采用的考核方式都是闭卷考试和上机考试[5]。但该课程若脱离实验始终是纸上谈兵，引入实验验证环节更能全面反映学生的理论水平、实验技能，将实验考核纳入总评成绩更能培养学生良好的治学态度和探索当前先进科技的积极性。具体方法：（1）让学生按照实验指导书要求，完成减速器箱体零件应力应变测试实验，获得各测点的实验数据。（2）学生完成箱体的建模分析，并确保分析结果与实验测试结果吻合，并完成相应优化设计。（3）完成实验报告撰写，并将实验成绩纳入总评考核，约占20%.

4 结束语

《有限元分析与应用》课程实验环节的设置，不仅使理论知识与实验相融合，也使力学相关主干课程所学知识与实验相融合，达到了综合运用知识、循序渐进提高工程素养的目的。学生完成了机械结构的测绘、建模、实验验证、成功分析复杂机械零部件等工作，最后再次使用软件完成了优化设计，达到了提高大学生创新能力的目的。

[1]苏学满，孙丽丽.“中国制造2025”背景下制造业人才的新需求[J].教改教法，2016，（341）：64-65.

[2]唐向红，刘国凯.面向智能制造的研究生人才培养研究[J].课程教育研究.2016，6.

[3]刘悦.《中国制造2025》战略下的智能制造专业实训项目开发与研究[J].科教导刊，2016，（248）：30-31.

[4]徐滨士，朱胜，史佩京.绿色制造技术的创新发展[J].焊接技术.2016，45（5）：11-14.

[5]向家伟.“有限元方法及程序设计”课程教学实践[J].重庆工学院学报，2007，7（21）：171-173.

Experimental study on Finite Element Analysis and Application Courese

QIAN Ru，BIAN Ge，YANG Xing-xing，WANG Shi-li
（Southeast University Chengxian College，Nanjing Jiangsu 210088，China）

With"made in China 2025"the formulation and implementation，combined with the high demand of the society and the lack of the practice of the applied undergraduate students，set up the model of experimental verification in the course of finite element analysis and application，perform structure analysis and optimum design and improve students'practical ability and innovation ability.

experimental verification；finite element；innovative design

TP391.7

A

1672-545X（2017）02-0262-02

2016-11-21

东南大学成贤学院教学研究项目（1101300332）

钱茹（1980-），女，江苏常州人，讲师，硕士，研究方向：机械产品的数字化模拟与仿真。