機械有限元課程在本科教學中的建設與實踐

孟超瑩

摘 要 為了培養具有創新和創業能力、適應社會需要的高素質專業人才，本院將機械有限元分析這門課程加入到本科的教學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有限元分析課程的必要性，針對目前教學中存在的問題，根據幾年的教學經驗提出了一些具體改革措施。

關鍵詞 有限元法 ANSYS 實踐

中圖分類號：G424 文獻標識碼：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的普及應用而迅速發展起來的一種非常有效的數值計算方法，在當今工程分析中獲得最為廣泛的應用。目前有限元法已經成為工程設計和科研領域不可或缺的一項重要技術和分析手段，解決了大量的實際問題。而ANSYS是一種應用十分廣泛的通用有限元分析軟件，集結構、流體、熱、電磁、聲學于一體。因此有限單元法和ANSYS的應用也普遍列入研究生的學位課程，在部分院校也慢慢推廣到本科課程的教學中。

為了培養具有創新和創業能力、適應社會需要的高素質專業人才，體現“強專業、重實踐、個性化”的教學思路，我院機電學部在本科教學中開設了“機械有限元分析”課程。本課程是針對機械設計制造及其自動化專業的本科生所開設的一門專業選修課，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，同時結合工程實際，為他們進一步學習進而參加科研工作開辟道路。其任務是對先修課程中所學知識的綜合運用和新知識的獲取，使學生初步掌握現代設計中的一種重要方法，開闊視野，提高能力，以適應科學技術發展的要求。

1 在本科階段開設“機械有限元分析”的必要性

現代科學技術的發展與計算機的廣泛應用，在機械設計中提出了現代設計方法，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，更是成為機械設計必不可少的工具。CAD工具用于產品結構設計，形成產品的數字化模型。而有限元法主要用于產品性能的分析與仿真，可以縮減產品設計周期，降低成本，增加產品和工程的可靠性等，因此受到越來越多企業的重視。

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

2 機械有限元法在本科教學中存在的問題

該課程在本學院的機械設計及自動化專業已經開設了五年，通過近五年的教學實踐發現在教學中存在一些問題。首先是學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的課程，理論性太強，還沒有開始接觸就認為太難學不會。其次是學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，彈性力學、矩陣理論、數值計算等復雜理論知識，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，有些學生反映這些知識都是很早以前學的，再重新提起時有些不記得了。還有學生計算機能力的程度不同也將影響到本門課程的學習。ANSYS軟件提供了兩種工作模式，即GUI方式和命令輸入方式。ANSYS的一個最大優點就是可以使用參數化的命令流，因此學習ANSYS最終要非常熟練地使用命令流。這就要求學生有一定的軟件程序編寫基礎，而這也就給機械專業的學生增加了學習任務。

3 機械有限元法在本科教學中實施的具體措施

針對以上問題，結合本科學生的實際情況，通過這幾年的教學實踐，提出幾點具體措施。

3.1 提高學生學習興趣

為了解決學生的抵觸心理，使學生對這門課程產生興趣，如何上好第一堂課成為關鍵，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生講解一個典型的ANSYS實例，指導學生跟著一起做，通過自己實際的操作來使學生認識有限元和ANSYS軟件，讓學生看到自己也能用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力應變變化情況，從而大大提高的學生學習這門課程的興趣。之后通過大量的工程實例和ANSYS直觀的圖形、動畫等向學生講解有限元在機械行業的應用和重要性，讓學生正確對待這門課程。

其次是針對本科學生的理論基礎，選擇合適的講授內容。在講解有限單元法理論知識的時候，將復雜的東西簡單化，盡量避開一些復雜的數值計算，同時在理論教學的過程中與實踐相結合的方法來教學，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，查看分析結果圖片直觀的讓學生理解理論知識。通過理論和實踐相結合的方法使學生明白原來學習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應用的學習手冊。對于只有理論知識的教材容易讓學生產生畏懼和厭煩心理，而軟件的學習必須建立在理論知識的基礎上。所以根據以上兩個因素的考慮，筆者選用王新榮、初旭宏主編的《ANSYS有限元基礎教程》，該教材主要針對高等院校各理工科專業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用。該教材編寫由淺入深、通俗易懂，適合機械工程專業本科生的學習。同時筆者在教學的過程中也加入了大量的工程應用實例，增加學生解決實際問題的能力，同時將前面的專業知識與有限元結合起來，提高學生的專業綜合能力。

3.3 注重教學的實踐環節

很多學校的機械專業在研究生階段都開設有有限元分析這門課程，但是一般只是注重理論知識的學習和研究，而對有限元軟件ANSYS的學習講解很少。由于有限元課程涉及大量的材料力學，彈性力學和高等數學等理論知識，對于本科生來說難度有點大，所以在本科教學中，主要以講授有限元分析軟件ANSYS的應用為主，以有限元分析的理論知識為輔。在實踐教學環節中，有針對性的地選擇機械工程中典型的結構作為案例，將有限元軟件的各種功能及操作貫穿在實際的結構分析中，將學生學過的機械設計、機械原理及材料力學等課程貫穿進去，也是對學生的一種綜合能力的鍛煉。例如選擇機械設計課程設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，將機械設計中軸的受力分析和結構設計等內容聯系起來，培養學生機械設計的綜合能力。

在進行實踐教學的環節中，通過上機實踐使學生真正掌握有限元分析軟件的應用。實現學生一人一臺電腦，讓學生能夠跟著老師一步一步的進行學習，這樣才能加深學生對有限元理論知識的理解和培養學生實際動手解決問題的能力。在學生上機的過程中，使學生真正體會到用有限元方法分析問題的整個過程，同時也增加了學生學習的積極性。 通過近幾年的教學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

針對本科學生自身的特點，在ANSYS軟件的教學過程中以講解交互式界面操作為主。主要讓學生能夠熟練的用界面操作完成有限元分析，在實踐教學中，選擇大量的機械方面的實際例子，培養學生的綜合能力和分析能力。在學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參數化語言來完成有限元分析，讓學生對ANSYS軟件有一個全面的認識的同時，也增強了學生的軟件編寫能力。

4 結束語

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

參考文獻

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