“有限元应用与实践”课程教学探索

赵洋+邓聪颖

摘 要 有限单元法在机械设计领域中占据重要地位，是机设类学生需要掌握的一种重要现代机械设计方法。其有着庞大而复杂的理论体系，基础理论与应用广泛，涉及内容丰富。为了增强课程的教学效果，提高学生的工程意识，对“有限元应用与实践”课程进行了一些探索。

关键词 有限单元法 ANSYS 实践教学

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2017）17-0015-01

有限单元法是随着计算机的发展而迅速发展起来的一门现代计算方法。在工程分析和科学研究中，常常会遇到大量的由常微分方程、偏微分方程及相应的边界条件描述的场问题，如位移场、应力场、流场和温度场等。推导这些方程并不十分困难，但对于很多实际工程问题却很难从这些方程中获得解析的数学解。人们多采用数值方法给出近似的满足工程精度要求的解答，有限元方法就是一种应用十分广泛的数值分析方法，也是工程科学的重要工具，其重要性仅次于数学。随着计算机技术和计算方法的发展，复杂工程问题可采用有限单元数值计算方法并借助计算机得到满足一定精度要求的数值结果。

“有限元应用与实践课程”是我校机械设计制造及其自动化的一门专业课程，教学内容主要包括有限元理论的基础知识和ANSYS软件的实际应用两方面。以求为学生的毕业设计以及日后从事机设类相关工作打下良好基础。

一、教学中面临的主要问题

按照目前有限元应用与实践课程的教学大纲，要求学生掌握有限元方法的基本原理、可自行编写相对简单的有限元分析程序以加深了解以及培养学生将实际工程结构简化为合适的计算模型，利用有限元软件进行分析和计算解决实际工程问题的能力。

从目前有限元应用与实践课程来看，仍存在些问题：该课程存在理论性与应用性并重的特点。传统教学方法以教师讲授为主，局限于教材内容。而且，有限元的理论知识对数学基础要求较高，需要学生有一定的弹性力学基础，这对于非力学类学生来说难度较大，学生普遍认为枯燥乏味，没有学习兴趣。在此背景之下，我们对该课程进行了一些教学探索。

二、课程教学探索

首先，教材的选择使用直接影响到课程的教学效果。选择一本合适的有限元教材并不容易，许多教材都是有关通用有限元软件的使用介绍或纯有限元理论知识。经过精挑细选，我们选择了曾攀的《有限元基础教程》一书作为教材，该书中综合了有限元理论以及应用实践这两方面内容。

其次，在教学内容和方法上进行了一些改进，采用讲授与实践相结合的方式。学习有限元方法，不但要掌握它的数学力学原理，更重要的是要深入实践，这体现在两个方面：亲自写出有限元分析的源程序，以及应用著名软件平台解决一些典型实际问题。由于课程课时偏少，在有限元方法理论部分进行了合理的取舍， 更加注重培养学生工程实践能力。在理论部分仅涉及所选教材的部分内容，主要介绍有限元分析过程、杆梁结构分析有限元方法以及部分连续体结构分析有限元方法等知识，其余内容可供学有余力以及有意愿进一步深造的学生进行自学参考之用。同时，为加深学生对有限元基本原理的理解，通过MATLAB编制有限元小程序的形式使学生能够真正领会有限元方法的实质。

此外，我们更加注重的是通过该课程培养学生的实践能力。因此，实践环节中主要学习的是大型有限元分析软件ANSYS的应用。其中主要包括力学模型的分析与简化、有限元软件几何模型建立方法、网格划分、载荷及约束的简化、结果分析等内容。通过学生的动手实践分别掌握结构静力学分析、模态分析、谐响应分析、随机振动分析、热分析、电场和磁场分析等方法。

最后的考核环节重点考察有限元基本理论知识的理解程度以及将实际工程结构简化为合适的计算模型并运用有限元方法解决实际工程问题的能力。通过对实践考核的重视，能够培养学生良好的思维方式，能够将自己专业知识更好的联系实际问题，激发学习兴趣。

三、结束语

本文针对“有限元应用与实践”课程的一些特点以及存在的些许问题进行了分析，对该课程教学内容选取、教学方法以及考核环节提出了个人意见，通过该途径可以使学生具有简化设计工程结构并分析計算实际工程问题的能力。但同时将不遗余力的摸索更好的教学方法，达到更好的教学效果。

参考文献：

[1]苏芳，成礼智，唐玲艳，王红霞.有限元方法及其应用课程教学实践与探索[J].湘南学院学报，2014，35（2）：57-59.

[2]曾攀.有限元基础教程[M].北京：高等教育出版社，2009.endprint