《有限元分析與應用》課程實驗環節的分析與研究

錢茹，卞鴿，楊星星，王石莉

《有限元分析與應用》課程實驗環節的分析與研究

錢茹，卞鴿，楊星星，王石莉

(東南大學成賢學院機械工程系，江蘇南京210088)

伴隨著《中國制造2025》的制定與實施，結合社會對高層次需求的劇增和現有應用型本科機械專業學生實踐的不足，在《有限元分析與應用》課程中設置實驗驗證模型環節，在此基礎上進行結構分析與優化設計，從而提高學生的實踐能力和創新能力。

實驗驗證；有限元；創新設計

在《中國制造2025》制定與實施的背景下，社會與政府對高層次人才需求的日益劇增，高校加強應用型本科人才工程分析能力培養有助于學生的素質和水平。但是長期以來，對該課程（此處都沒有引出課程，怎么能用該呢）的認識存在偏頗之處：有限元仿真適合研究型本科人才培養；教學偏重理論，忽視工程實踐；重視計算機仿真，缺乏實驗驗證環節。因此，針對應用型本科人才，正確合理地進行課程定位，培養學生的實際動手能力、理論指導實踐的能力以及創新能力，使之成為高素質工程技術人才，對該課程實驗和理論教學內容的設置進行新的嘗試與改革是教師的責任和義務。

對于機械相關企業，采用先進的全數字化的設計和高精度的模擬對新產品進行分析是降低產品研發成本的有效途徑。有限元方法作為求解各種復雜數學問題的數值計算方法，可為機械、建筑、土木等各類工業產品設計和性能分析提供可靠依據，已成為解決實際問題非常重要的工具和手段。因此，考慮到目前的發展趨勢和社會需求，我校機械專業開設了《有限元分析及應用》課程。

過去，我院開設的這門課程，實驗條件相對落后，學生動手機會較少；教學條件相對落后，理論教學基本在教室進行，輔以簡單的幻燈片演示；上機課時少，除去教師的教學演示，學生的實踐時間更少；缺乏驗證計算機模擬正確性的實驗環節，學生缺乏感性認識。但是自2015年，根據應用型本科人才教育在培養目標、人才規格、課程設置的特殊性，對該課程的教學內容設置、教學方式尤其是實踐環節進行了調整和改進。

1 物理實驗與有限元機仿真的關系

隨著計算機的發展，各類有限元分析輔助軟件走進高校，機械結構的力學分析可以通過軟件實現。復雜機械零部件力學分析已無法通過手工計算完成，但是有限元軟件模擬分析沒有這樣的限制，深受學生歡迎。但由此弊病凸現，不同人完成的有限元仿真結果因缺乏實驗驗證結果相別很大。如何利用計算機仿真的優勢又確保分析的正確性，引起人們的思考。

采用有限元軟件輔助結構分析具備了傳統手工計算無與倫比的優點，如：ANSYS軟件可以進行復雜箱體零件的力學計算，用云圖或者具體數值來表達強度、剛度等，為機械專業學生所接受和喜歡。同時仿真軟件強大的分析功能可以進行結構的優化，加速了學生對機械結構的理論應用與實踐。在該課程的上機實驗中，學生可根據實際零件尺寸進行三維建模、仿真分析以及結構優化，大大調動了學生的主觀能動性，激發了學生的創新意識和工程實踐能力。但這種缺乏實驗驗證的理論建模用來預測結構的力學性能往往是不可靠的。因此，面向“中國制造2025”培養高素質的應用型本科人才，《有限元分析及應用》課程應該首先設置測繪現有零部件、理論建模、實驗驗證環節，其次檢驗和校核計算機仿真模型，最后用該模型來預測結構設計、優化設計及改進后的力學性能分析。

2 實驗設置

2.1 以復雜箱體零件為研究對象結合實驗驗證完成有限元仿真與分析

逆向工程獲取零件結構尺寸

逆向工程，是以先進產品的實物、圖紙等技術文件或影像資料等作為研究對象，應用先進設計理論、測試技術、伸長工程學、材料學等知識，對其進行系統的實驗、研究和分析，從而掌握關鍵技術，從而開發更先進的同類產品過程。在該課程的實驗環節，選擇結構復雜的典型機械零件如減速器箱體作為研究對象。在掌握減速器箱體結構的工作原理、功能要求和結構特點的基礎上，對其拆裝和測繪，并使用Pro/ E與ANSYS軟件完成三維實體模型和有限元模型。

2.2 驗證模型正確性

模型的激勵及響應若與物理實驗吻合，我們認為這樣的模型具有預測性。在該實驗中，給定箱體零件在某具體位置10個不同的位移載荷，并通過應力應變檢測儀采集在不同位置的應力應變數據。同時在ANSYS軟件中建立箱體的有限元模型，通過調整模型的單元類型、實常數、網格密度等參數來確保測點位置應力應變的仿真數據與實際測試數據吻合。模型中有足夠多的點的有限元計算值與實際測試值一致，我們認為此模型能真實反映物體的特性，用此模型進行的優化設計等各種后續分析計算的結果是可信的。全班可分組完成，每組測點不少于3個，每個測點的有限元仿真值要求與實際測試值的誤差控制在10%以內。

2.3 在模型驗證的基礎上完成優化設計

在以上模型校核的基礎上，以滿足強度條件下質量最輕為目標函數進行優化設計，并且進一步對優化后的結構進行力學性能預測。

3 考核方式

該課程屬于應用技術類課程，既有基本理論又有大量的上機環節，多年來采用的考核方式都是閉卷考試和上機考試[5]。但該課程若脫離實驗始終是紙上談兵，引入實驗驗證環節更能全面反映學生的理論水平、實驗技能，將實驗考核納入總評成績更能培養學生良好的治學態度和探索當前先進科技的積極性。具體方法：（1）讓學生按照實驗指導書要求，完成減速器箱體零件應力應變測試實驗，獲得各測點的實驗數據。（2）學生完成箱體的建模分析，并確保分析結果與實驗測試結果吻合，并完成相應優化設計。（3）完成實驗報告撰寫，并將實驗成績納入總評考核，約占20%.

4 結束語

《有限元分析與應用》課程實驗環節的設置，不僅使理論知識與實驗相融合，也使力學相關主干課程所學知識與實驗相融合，達到了綜合運用知識、循序漸進提高工程素養的目的。學生完成了機械結構的測繪、建模、實驗驗證、成功分析復雜機械零部件等工作，最后再次使用軟件完成了優化設計，達到了提高大學生創新能力的目的。

[1]蘇學滿，孫麗麗.“中國制造2025”背景下制造業人才的新需求[J].教改教法，2016，（341）：64-65.

[2]唐向紅，劉國凱.面向智能制造的研究生人才培養研究[J].課程教育研究.2016，6.

[3]劉悅.《中國制造2025》戰略下的智能制造專業實訓項目開發與研究[J].科教導刊，2016，（248）：30-31.

[4]徐濱士，朱勝，史佩京.綠色制造技術的創新發展[J].焊接技術.2016，45（5）：11-14.

[5]向家偉.“有限元方法及程序設計”課程教學實踐[J].重慶工學院學報，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

東南大學成賢學院教學研究項目（1101300332）

錢茹（1980-），女，江蘇常州人，講師，碩士，研究方向：機械產品的數字化模擬與仿真。