基于有限元法的現代設計理論與方法教學理論與實踐

劉文蓮 桑運春

[摘 要] 根據機械設計制造及其自動化專業選修課——現代設計理論與方法課程存在“重理論、輕實踐”的問題，根據應用型本科教學目標和社會對有限元的人才的需求，對該課程的教學內容、教學方法和考核方式進行改革。實踐證明，案例式的教學不僅使課程與實際工程緊密結合，增強了課程的實踐性，還大大提高了學習興趣，拓展了學生思維，為培養綜合性人才打下基礎。

[關 鍵 詞] 有限元法；現代設計理論與方法；教學改革

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）31-0138-01

現代設計理論與方法課程是機械設計制造及其自動化本科專業的一門專業選修課，是隨著當代科學技術和計算機技術的迅猛發展而在設計領域發展起來的一門多元交叉學科，是在設計產品為對象時，采用先進的計算機技術，運用工程設計的新理論和新方法，不斷提高設計質量和縮短設計周期的一門集成的新興學科。現代設計理論與方法可能的教學內容一般包括設計方法學、優化設計、可靠性設計、有限元法、機械動態設計等多種現代設計方法。

一、現代設計理論與方法教學現狀與存在的問題

目前高等學校開展的現代設計理論與方法課程大多存在如下問題：

（一）課程理論性強，缺乏實踐性，學生學習興趣不高

課程內容涉及數學、力學和計算機多個方面，教學內容復雜抽象，在有限的課時內很難進行系統講授，同時對學生的數學、力學和計算機都有很高的要求。從以往的教學來看，學生普遍感覺教學內容理論性太強，缺乏學習興趣，教學效果大打折扣。因而課程的實用性不強，學生學習興趣不高，課程沒有達到應有的教學效果。

（二）課程教學內容與不能適應社會對應用型人才的需求

隨著近年來計算機技術的不斷發展，計算機與工程實踐相結合不斷形成新興的交叉學科，是近年來工程發展的一個先進方向。在現代機械產品設計和制造中，用有限元法對產品性能進行全面分析和仿真，可以在產品樣機實現以前對產品性能進行全面預測和優化，因而在機械產品開發中應用越來越廣泛。目前，我國高校及職業院校的有限元課程處在起步階段，培養的具備有限元工程分析能力的技術人才還相對匱乏，因而要將有限元法作為本課程的主要方法，教學內容更加符合當今快速發展的社會需求。

二、課程教學改革措施與實踐

根據目前本課程普遍存在的教學問題，結合本校多年的教學實際，對該課程進行如下幾個方面的教學改革：

（一）教學內容改革

為了適應學科的發展和社會對應用型人才的需求，本課程將基于ANSYS軟件有限元法的內容作為課程的主要授課內容。

有限元法是以離散為中心的高效數值技術。隨著計算機技術的高速發展，有限元法在工程分析領域得到越來越廣泛的應用。ANSYS軟件是一種大型通用有限元分析軟件，具有結構、流體、電場、磁場、聲場等多個分析模塊，并具有強大的接口程序，能與多數計算機輔助設計軟件進行數據的共享和交換。因而在機械制造、航空航天、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程多個領域有著廣泛的應用。目前，國內有100多所理工院校采用ANSYS作為有限元分析或標準教學軟件。本課程內容結合機械設計制造及其自動化專業的特點，以有限元的結構分析為主，包括靜力學分析、動力學分析、譜分析、諧響應分析等，還涉及熱分析和熱電分析等耦合分析。

（二）采用案例法教學，與工程實例相結合

有限元的內容晦澀難懂，采用案例法教學可以將抽象的有限元知識以實例、圖表、圖形等方式直觀表達出來。學生更容易接受。比如，為了區分線性靜力分析的平面應力、平面應變問題，分別用帶圓孔的薄板問題和天然氣管道的實例進行對比講解，分別進行建模求解，用圖片、圖表、動畫等形式進行結果對比，增加學生的直觀印象，促進學生對工程概念的理解。

另外，課堂上課時還結合一些工程案例，如動車的車鉤的靜力學分析和接觸分析、軸承的疲勞分析等，課程與工程實例相結合，大大提高了學生學習的興趣，拓展了學生的思維。

（三）考核方式采用大作業，每人一題

課程總評成績由出勤20%、平時作業20%和大作業60%組成。大作業為每人一題，學生根據課堂上學習的知識，結合科研課題、平時的大賽訓練和網上查閱相關資料確定自己的課題，在教師的指導下進行材料確定、工況分析、模型建立、網格劃分、施加載荷和結果評價等一系列過程。教師采用課堂答辯的形式，對學生的作業進行評價。實踐證明，大多數學生對這種方式容易接受，作業比較認真，涌現出一些比較經典的案例，如凸輪的運動分析、殼單元的疲勞壽命分析等，增強了學生的工程實踐能力。

三、小結

本文通過闡述現代設計理論與方法課程教學現狀和存在的問題，結合本校多年的教學實際，對課程的教學內容、教學方法和考核方式提出改革方案并進行不斷實踐，使課程與時俱進，更符合培養應用型人才的教學目標。

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◎編輯 武慧慧