机械结构有限元分析课程教学设计

《机械结构有限元分析》课程教学设计（一）基本描述

课程名称：机械结构有限元分析

英文译名：FINITE ELEMENT METHOD OF MECHANICAL

STRUCTURE

课程学时：30 讲课：26 实验：4

适用专业：机电工程学院机械设计制造及其自动化专业

开课单位：机电工程学院机械制造及自动化系

开课时间：第七学期

先修课程：材料力学

主要教材及参考书：

1、“有限元素法及其应用讲义”（自编）

2、王新荣主编《有限元素法》，中国台北出版社，1997年

3、王守信主编《有限元法教程》，哈工大出版社，1994年

（二）课程的性质、研究对象及任务

本课程是为机械设计制造及其自动化专业本科生开设的一门专业选修课，重点介绍有限元法的基本原理和方法、一些成熟的有限元软件功能和简单的分析步骤，同时结合工程实际，为他们进一步学习或实际应用及参加科研工作开辟道路。其任务是通过先修课程中所学知识的综合运用和新知识的获取，使学生初步掌握现代设计中的一种重要方法，开阔视野，提高能力，以适应科学技术发展的要求。具体的教学目的如下：

1、了解有限元方法的应用范围和目前的发展状况；

2、掌握有限元分析的基本原理和方法；

3、初步掌握一些成熟的有限元软件功能和简单的分析步骤，结合上机和实验，使学生能够利用现有软件对实际结构进行有限元分析，为进一步学习或实际应用及参加科研工作打下基础。

（三）教材的选择与分析

“有限元素法及其应用”讲义是以王新荣主编的《有限元素法》为基础，并增加了有限元分析软件应用的内容。自20世纪80年代起，哈尔滨工业大学对理工科专业的本科生和研究生开设了有关“有限元分析”的课程，在多年教学和科研的基础上，相继出版了《机械结构有限元分析》、《有限元法教程》和《有限元素法》等教材。该讲义主要针对高等院校各理工科专业本科生的需要而编写，同时也考虑了在职工程技术人员学习和未修过有限元课程的研究生自学的要求。编写上注意由浅入深、通俗易懂，以便具有一定力学知识和工程技术基础知识的高年级大学生和在职工程技术人员学习使用。

（四）本课程各章的主要内容与基本要求、重点与难点、学时分配第一章概论（讲课2学时）

有限元法的基本概念、思路和发展过程，有限元法的应用领域，单元特性矩阵的导出方法以及常用单元的类型。

重点：有限元法中单元特性矩阵的导出方法。

第二章弹性力学的基本方程式（讲课2学时）

变形体的描述与变量定义、弹性体的基本假设和研究的基本技巧；应力及其分量、力的平衡微分方程、位移和应变以及位移和应变的关系（几何方程和物理方程）、虚功方程。

重点：应力及其分量、力的平衡微分方程、位移和应变以及位移和应变的关系。

难点：虚功方程。

第三章杆、梁单元的有限元法（讲课4学时）

建立计算模型、局部坐标系中杆单元的刚度矩阵、坐标变换、统一坐标系中杆单元的刚度矩阵、杆单元的应用举例和总刚阵的组集方法、平面梁单元的刚度矩阵和应用举例。

重点：建立计算模型，求出杆单元的刚度矩阵。

难点：坐标变换。

第四章平面问题的有限元法（讲课4学时）

平面矩形板单元的刚度矩阵和应用举例、形状函数、平面高次板单元的刚度矩阵、平面等参数单元的刚度矩阵、结构总刚阵的特点和组集方法、边界条件处理、载荷移置。

重点：板单元刚度矩阵。

难点：形状函数。

第五章薄板弯曲问题及板、梁组合问题的有限元法（讲课2学时）角形薄板单元的有限元法、板和梁单元的组合问题、坐标变换。

重点：板和梁单元的组合问题。

难点：对薄板弯曲问题的理解。

第六章轴对称问题的有限元法（讲课2学时）

弹性力学轴对称问题的基本方程式、三角形截面形状单元的刚度矩阵、轴对称问题的载荷移置、轴对称问题的有限元解法。

重点：轴对称问题的有限元解法。

第七章三维实体单元的有限元法（讲课2学时）

四面体单元的刚度矩阵、六面体单元的刚度矩阵以及三维等参数单元。

第八章结构动力学的有限元方法（讲课4学时）

结构系统的动力学方程、单元质量矩阵、单元阻尼矩阵、求解自由振动问题简例。

重点：用有限元法求解动力学问题。

难点：动力学方程的推导。

第九章有限元软件（讲课4学时）

介绍ANSYS有限元软件的使用，包括建模、边界条件处理等。

（五）教学环节

1．课堂讲授（26学时）

任课教师必须做到下面几点：

1）认真备课，做好教案，熟练掌握课程的基本内容。

2）以学生为中心，采用启发式等教学方法，注意调动学生的学习积极性和主动性，培养学生的逻辑思维能力、分析问题和解决问题能力。

3）讲课的思路要清晰，概念要准确，重点要突出，要理论联系实际，多举一些实例，要适时反映本学科发展的状态；

4）教学手段要完备，根据教学内容的要求，恰当运用多媒体教学手段。

5）上课精神饱满，教书育人，为人师表，以人格魅力和精神气质，激发学生的求知欲和思维活力，在潜移默化中影响学生。

2．作业

为引导学生主动探索、理解与掌握知识，培养运用知识解决问题的能力，在各主要章的课后都留有习题作业，教师认真批阅，评出成绩。

3．实验（4学时）

本课程是一门理论性、应用性都很强的专业课，实验教学是培养学生的动手能力和巩固所学知识的重要教学环节。共安排了4学时3个必作实验。具体的实验如下：

①固有频率测试实验（1学时）；

②静态变形测试实验（1学时）；

③上机实验（2学时）；

实验有实验指导书。

实验时每组人数2-4人，每个教师指导的人数一般不超过15人。任课教师要指导实验，并且要批改至少一个小班的实验报告，写出评语，评出成绩。

（六）信息交流，教学相长

1.所有的教学环节、教学内容、教学文件都要与学生沟通，使学生了解学什么？怎样学？掌握那些基本内容，调动学生的主动性和积极性；

2.通过作业讲评，教师了解学生的学习情况，指出存在的问题，提出要求，引导学生端正学习态度，掌握正确的学习方法；

3.定期进行问卷调查，认真听取学生对教学工作的反映，教师要积极的、有的放矢地改进教学。

（七）考核办法

采用累加式的考核方法，即课程的总成绩由以下几部分构成。

平时成绩占20﹪（听课、作业），实验上机占10﹪，期末考试成绩占70﹪。