“有限元應用與實踐”課程教學探索

趙洋+鄧聰穎

摘 要 有限單元法在機械設計領域中占據重要地位，是機設類學生需要掌握的一種重要現代機械設計方法。其有著龐大而復雜的理論體系，基礎理論與應用廣泛，涉及內容豐富。為了增強課程的教學效果，提高學生的工程意識，對“有限元應用與實踐”課程進行了一些探索。

關鍵詞 有限單元法 ANSYS 實踐教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2017）17-0015-01

有限單元法是隨著計算機的發展而迅速發展起來的一門現代計算方法。在工程分析和科學研究中，常常會遇到大量的由常微分方程、偏微分方程及相應的邊界條件描述的場問題，如位移場、應力場、流場和溫度場等。推導這些方程并不十分困難，但對于很多實際工程問題卻很難從這些方程中獲得解析的數學解。人們多采用數值方法給出近似的滿足工程精度要求的解答，有限元方法就是一種應用十分廣泛的數值分析方法，也是工程科學的重要工具，其重要性僅次于數學。隨著計算機技術和計算方法的發展，復雜工程問題可采用有限單元數值計算方法并借助計算機得到滿足一定精度要求的數值結果。

“有限元應用與實踐課程”是我校機械設計制造及其自動化的一門專業課程，教學內容主要包括有限元理論的基礎知識和ANSYS軟件的實際應用兩方面。以求為學生的畢業設計以及日后從事機設類相關工作打下良好基礎。

一、教學中面臨的主要問題

按照目前有限元應用與實踐課程的教學大綱，要求學生掌握有限元方法的基本原理、可自行編寫相對簡單的有限元分析程序以加深了解以及培養學生將實際工程結構簡化為合適的計算模型，利用有限元軟件進行分析和計算解決實際工程問題的能力。

從目前有限元應用與實踐課程來看，仍存在些問題：該課程存在理論性與應用性并重的特點。傳統教學方法以教師講授為主，局限于教材內容。而且，有限元的理論知識對數學基礎要求較高，需要學生有一定的彈性力學基礎，這對于非力學類學生來說難度較大，學生普遍認為枯燥乏味，沒有學習興趣。在此背景之下，我們對該課程進行了一些教學探索。

二、課程教學探索

首先，教材的選擇使用直接影響到課程的教學效果。選擇一本合適的有限元教材并不容易，許多教材都是有關通用有限元軟件的使用介紹或純有限元理論知識。經過精挑細選，我們選擇了曾攀的《有限元基礎教程》一書作為教材，該書中綜合了有限元理論以及應用實踐這兩方面內容。

其次，在教學內容和方法上進行了一些改進，采用講授與實踐相結合的方式。學習有限元方法，不但要掌握它的數學力學原理，更重要的是要深入實踐，這體現在兩個方面：親自寫出有限元分析的源程序，以及應用著名軟件平臺解決一些典型實際問題。由于課程課時偏少，在有限元方法理論部分進行了合理的取舍， 更加注重培養學生工程實踐能力。在理論部分僅涉及所選教材的部分內容，主要介紹有限元分析過程、桿梁結構分析有限元方法以及部分連續體結構分析有限元方法等知識，其余內容可供學有余力以及有意愿進一步深造的學生進行自學參考之用。同時，為加深學生對有限元基本原理的理解，通過MATLAB編制有限元小程序的形式使學生能夠真正領會有限元方法的實質。

此外，我們更加注重的是通過該課程培養學生的實踐能力。因此，實踐環節中主要學習的是大型有限元分析軟件ANSYS的應用。其中主要包括力學模型的分析與簡化、有限元軟件幾何模型建立方法、網格劃分、載荷及約束的簡化、結果分析等內容。通過學生的動手實踐分別掌握結構靜力學分析、模態分析、諧響應分析、隨機振動分析、熱分析、電場和磁場分析等方法。

最后的考核環節重點考察有限元基本理論知識的理解程度以及將實際工程結構簡化為合適的計算模型并運用有限元方法解決實際工程問題的能力。通過對實踐考核的重視，能夠培養學生良好的思維方式，能夠將自己專業知識更好的聯系實際問題，激發學習興趣。

三、結束語

本文針對“有限元應用與實踐”課程的一些特點以及存在的些許問題進行了分析，對該課程教學內容選取、教學方法以及考核環節提出了個人意見，通過該途徑可以使學生具有簡化設計工程結構并分析計算實際工程問題的能力。但同時將不遺余力的摸索更好的教學方法，達到更好的教學效果。

參考文獻：

[1]蘇芳，成禮智，唐玲艷，王紅霞.有限元方法及其應用課程教學實踐與探索[J].湘南學院學報，2014，35（2）：57-59.

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