淺談有限元法在機械設(shè)計方向中的教學(xué)實踐

劉叢叢

摘 要：隨著改革的深入，更多教學(xué)思想被提出，更多的教學(xué)方法被應(yīng)用。在高校教育改革中，對于課程改革的探索，更多的是結(jié)合專業(yè)特點提出并引進了一些具有針對性的方法，有限元法就是針對機械設(shè)計的一種運用方法。本文就分析有限元法在機械設(shè)計方向中的教學(xué)實踐，在機械設(shè)計中開設(shè)“有限元法”，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：有限元法，機械設(shè)計，教學(xué)實踐

引言：現(xiàn)代化發(fā)展的標(biāo)志是智能化和信息化、智慧化，這也成為了各行業(yè)發(fā)展的共同目標(biāo)。就機械方面，機械裝備也逐漸的向著大型化、集成化的方向發(fā)展，因此對于機械裝備結(jié)構(gòu)的分析和強度計算提出了更高的要求。如果還是按照傳統(tǒng)的力學(xué)分析顯然無法滿足生產(chǎn)需求。需要進一步的探究新技術(shù)和方法，隨著計算機技術(shù)的使用，將有限元法理論引入到了機械領(lǐng)域，在機械設(shè)計教學(xué)中也開始開設(shè)有限元法課程，在此基礎(chǔ)上加強教學(xué)改革創(chuàng)新。

1. 有限元法

有限元法是求解偏微分方程問題的一種數(shù)值方法，而一般空間和時間相關(guān)問題的物理定律通常用偏微分方程描述。有限元法是最近似求解一般連續(xù)場問題的數(shù)值方法，具有其特點：物理概念清晰、復(fù)雜結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、各種物理問題的實用性，以及適合計算機實現(xiàn)的高效性。對于有限元法，是從未知量的角度有限元法分為三類：位移法、力法和混合法，

有限元法可以模擬各種幾何形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，得出近似解，并且解題的步驟可以實現(xiàn)系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化，開發(fā)出靈活通用的計算機程序，廣泛的運用于各種場合。除此之外，還有從其他CAD軟件中導(dǎo)入創(chuàng)建好的模型，數(shù)學(xué)處理比較方便，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形狀也比較適用。所以，針對機械設(shè)備的現(xiàn)代化發(fā)展，傳統(tǒng)的力學(xué)分析無法滿足，而有限元法剛好彌補其不足[1]。

2.有限元法在機械設(shè)計方向中的教學(xué)實踐

2.1 有限元法的課程設(shè)計

有限元法在機械專業(yè)課程設(shè)計中，需要注意兩個方面：

一是以人為本的教學(xué)理念，關(guān)注學(xué)生的需求和學(xué)習(xí)興趣，有限元法課程實踐成功的關(guān)鍵就是學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與性。所以在課程開設(shè)中，要以學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲作為基礎(chǔ)。一般針對機械工程的問題求解，是一個循環(huán)的過程，針對工程問題，構(gòu)建物理模型、數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)求解，得出得出物理解。可以根據(jù)這一求解過程，引出有限元法，使學(xué)生可以通過理解形成一定的觀念，可以知道所有工程問題最終化解成多元高階微分方程，但是并不是所有的數(shù)學(xué)方程都都解析，數(shù)值解也能夠表示參數(shù)的物理含義。通過一定的導(dǎo)入激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對有限元法有了進一步的了解，掌握有限元法基本原理的基礎(chǔ)上，真正理解有限元法的本質(zhì)，并且可以利用軟件系統(tǒng)解決實際問題，獲得計算結(jié)果[2]。

而是幫助學(xué)生構(gòu)建原有經(jīng)驗，針對有限元法課程，需要一步一步的構(gòu)建原有經(jīng)驗。比如在開課的初期，可以先通過介紹一些工程的應(yīng)用背景知識，針對機械設(shè)計中的一些具體部件，比如機械的主要零件有許多是回轉(zhuǎn)體，受到的載荷是軸對稱，結(jié)合一些具體的零件進行說明。這里版主學(xué)生構(gòu)建原有經(jīng)驗，簡單來講，就是通過案例分析，加深學(xué)生對課程的認(rèn)識，明確該課程對于機械設(shè)計的重要性，形成一種原有學(xué)習(xí)經(jīng)驗。

2.2 教學(xué)設(shè)計中重視學(xué)生的學(xué)習(xí)特點

一方面是結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，對教材進行擴展。高校的教師，對于課程教學(xué)擁有更多的自主權(quán)，可以參考多種教材，可以根據(jù)實際情況對教材進行開發(fā)，對知識進行一個延伸和擴展。 隨著有限元法理論在教學(xué)中的實踐，機械設(shè)計教學(xué)內(nèi)容也在不斷的更新這就需要教師針對學(xué)生的需特點，實現(xiàn)對教材的開發(fā)和拓展。比如針對有限元法的分析，其過程為：

在具體的課程教學(xué)中，程序編寫和軟件分析師有限元法課程的重要組成內(nèi)容。首先是程序編寫部分，就需要先給出二維平面應(yīng)力、平面桁架以及三維空間單元等一些通用程序，學(xué)生通過學(xué)習(xí)掌握框架圖和程序設(shè)計的方法與技巧，采用軟件進行上機程序，可以有效的增強學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和解決實際問題的能力。然后是引入有限元軟件，比較分析。有限元軟件比較常見的有ABAQUS、ANSYS、MSC，就比如ABAQUS有限元軟件，是一種大型有限元軟件，廣泛模擬形成，具有杰出的非線性分析能力。該有限元軟件是國際上最先進的大型通用有限元計算分析軟件之一，在機械、工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，不僅可以進行結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析，還可以實現(xiàn)動態(tài)分析，具有豐富的單元模式，可以模擬廣泛的材料性能，也是有限元法課程中的運用軟件[3]。在實際的教學(xué)中，將該軟件用于教學(xué)演示和上機編程聯(lián)系的結(jié)果比較程序，可以增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求職欲望。

而是在教學(xué)中要以學(xué)生為中心，創(chuàng)新教學(xué)方法，如小組協(xié)作方法。在教學(xué)過程中，可以采用小組協(xié)作的教學(xué)方法，提高學(xué)習(xí)效果。根據(jù)課程內(nèi)容，將學(xué)生分為幾個小組，通過合作完成學(xué)習(xí)任務(wù)。這樣的教學(xué)方式更加符合大學(xué)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，更好的完成學(xué)習(xí)任務(wù)。比如以小組為單位，利用相同的軟件，采用不同的單位或者網(wǎng)格數(shù)量進行計算，對計算的結(jié)果進行討論分析，確定其有效性。這樣的方式有利于學(xué)生對有限元法相關(guān)知識的掌握和理解，并且不斷的完善和進步，提高了教學(xué)效果。

2.3有限元法的教學(xué)實踐

理論性的學(xué)習(xí)目的是更好的運用到實踐，如果不能運用到實踐，就會變成惰性知識。所以對于有限元法課程教學(xué)，也需要結(jié)合實際，讓有限元法可以在機械設(shè)計中運用，在教學(xué)中可以結(jié)合學(xué)生的時機發(fā)展，采用一些案例加強訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的實踐能力。但是需要注意的是目前市場上的有限元軟件不能有效解決一些實際問題，還需要進行二次開發(fā)。因此需要學(xué)生掌握一些應(yīng)用的變成語言或者軟件，需要學(xué)生在業(yè)余的時間加強訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，吧理論知識運用到實踐，提高學(xué)生的實踐能力，可以運用有限元法解決機械設(shè)計中的一些實際問題。

加強實踐教學(xué)，可以鼓勵學(xué)生自行組織研究，學(xué)校和教室提供機會和平臺，鍛煉學(xué)生實踐能力的同時，還能激發(fā)學(xué)生的求知欲，促進學(xué)生對有限元法的研究。此外，還可以讓學(xué)生參與到教師的科研項目中，學(xué)生和教師共同研究，實現(xiàn)學(xué)生的實踐教學(xué)。最后，把有限元法的實踐運用納入到畢業(yè)設(shè)計中，畢業(yè)設(shè)計是對學(xué)生所學(xué)知識的綜合運用能力訓(xùn)練，在畢業(yè)設(shè)計中，提出有限元法的課程知識和軟件運用，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。

3.結(jié)束語

本文探究有限元法在機械設(shè)計方向中的教學(xué)實踐，通過對有限元法的分析，對于在機械設(shè)計中有限元法課程的開發(fā)，從課程設(shè)計、教學(xué)模式、實踐教學(xué)三個方面進行探析。本文對于有限元法課程教學(xué)的研究還比較基礎(chǔ)和簡單，其實際的課程開發(fā)，還需要結(jié)合機械設(shè)計的特點，不斷在探索優(yōu)化，提高有限元法課程效率，讓學(xué)生可以把有限元法實踐運用到機械設(shè)計中。

參考文獻(xiàn)：

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[2]錢善華，劉利國，倪自豐.有限元法在機械設(shè)計方向中的教學(xué)實踐[J].無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2013，12（03）：22-24+34.

[3]程聯(lián)社，楊中平，馮戰(zhàn)勤.有限元法在機械設(shè)計中的應(yīng)用[J].楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2009，8（03）：40-42.