《有限元方法及应用》教学大纲

第页《有限元方法及应用》教学大纲课程编号：013072课程名称：有限元方法及应用课程名称(英文)：FiniteElementMethodandIt’sApplication课程类型：必修总学时：24讲课学时：12上机学时：12学分：1.5适用对象：本科高年级先修课程：线性代数、弹塑性力学后续课程：开课单位：机械工程学院一、课程性质和教学目标有限元分析方法是工程中常用的数值计算方法之一，最近一些年被大量应用于机械、土木、车辆、航空航天等领域，尤其在应力分布、变形分析、流程分析和电磁场理论研究中具有大量的应用价值。作为机械类专业的本科学生，掌握有限元方法的基本理论和初步应用对适应工程中的各类课题颇有好处。有限元方法是一种现代设计方法，应用于机械设计中，可以提高产品质量、降低产品成本，是一种具有重要经济意义和巨大潜力的先进技术。其目的是培养学生学会在机械设计中应用有限元新技术，使学生对有限元的基本理论、基本方法有比较全面的理解。其主要要求是使学生掌握有限元方法的基本概念和基本理论，掌握有限元分析的基本处理方法，熟悉常用有限元分析软件在实际工程中的应用。通过本课程的学习，要求学生达到以下目标：目标1：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理和方法，正确表达复杂机械工程问题的解决方案；目标2：能够选择和应用工程技术软件工具，进行机械产品或系统的设计开发、模拟预测、工艺优化等，并能理解其局限性；目标3：具备终身学习的基础，掌握自主学习的方法和技能，了解拓展知识和能力的途径。本课程所能支撑的毕业要求、以及本课程的教学目标与毕业要求的对应关系如下:序号毕业要求指标点毕业要求指标点具体内容本课程的教学目标与毕业要求的对应关系1毕业要求2.22.2能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理和方法，正确表达复杂机械工程问题的解决方案；课程目标12毕业要求3.33.3能够根据解决方案进行技术参数的设计计算与优化，完成机械零部件设计、单元产品设计、系统或工艺流程的总体设计，具有创新意识。课程目标23毕业要求5.25.2能够选择与使用恰当的仪器、工程工具和专业模拟软件，对复杂工程问题进行分析、计算与设计；课程目标24毕业要求12.112.1具备终身学习的能力，掌握自主学习的方法和技能，了解拓展知识和能力的途径。课程目标3二、教学基本要求本课程教学的基本要求是：使学生掌握有限元的基本理论、基本知识和基本方法，能够编制小型有限元程序解决简单数值分析问题，学会用有限元方法解决固体力学中和实际工程中的问题，并能够熟练使用一到两种有限元分析软件。三、教学内容及要求第一章有限元方法导论（1）（反映课程目标3）教学目的与要求通过本部分的学习，要求学生掌握有限元方法定义及基本求解步骤、发展过程等。教学内容一、有限元的概述二、有限元的发展及常用软件介绍三、有限元分析的基本步骤考核要求了解：了解有限元方法产生的历史背景和发展进程；了解常用软件以及主要用途等。掌握：有限元基本概念，有限元方法基本求解步骤和有限元的基本原理。第二章弹性力学基本知识（2）（反映课程目标1）教学目的与要求通过本部分的学习，要求学生掌握简单问题的FEA求解过程，FEA的基本步骤和表达式；熟悉并能运用平面单元及坐标变换方法。教学内容一、弹性力学基本假设二、弹性力学基本物理量三、弹性力学基本方程四、计算例题了解：了解弹性力学问题的特征及基本方程。掌握：弹性力学基本概念，弹性力学基本知识。第三章刚度法（反映课程目标1）教学目的与要求通过本部分的学习，要求学生掌握简单问题的FEA求解过程，FEA的基本步骤和表达式；熟悉并能运用弹簧单元方法。教学内容一、刚度矩阵的定义二、弹簧单元刚度矩阵推导三、弹簧组装例子四、用叠加法组装总体刚度矩阵了解：了解弹簧单元有限元分析过程。掌握：对弹簧单元特性进行研究，1D多节点单元进行构造的过程。第四章弹性力学平面问题有限元法（2）（反映课程目标2）教学目的与要求通过本部分的学习，要求学生掌握简单问题的FEA求解过程，FEA的基本步骤和表达式；熟悉并能运用平面单元及坐标变换方法。教学内容一、三节点三角形单元二、四节点矩形单元三、高次三角形单元和矩形单元四、平面等参数单元五、计算例题了解：了解连续体问题的特征及有限元分析过程。掌握：对连续体单元特性进行研究，2D多节点单元进行构造的过程。第五章弹性力学空间问题有限元法（2）（反映课程目标2）教学目的与要求通过本部分的学习，要求学生掌握空间问题基本方程的建立及3D单元的构造，应用参数单元的一般原理和数值积分知识；教学内容一、常应变四面体单元二、二次四面体单元三、六面体单元四、空间等参数单元五、轴承支座承载能力有限元分析了解：了解熟悉单元刚度矩阵的缩聚及位移函数构造的收敛性要求。掌握：Newton-Cotes和Gauss积分方法计算过程和形状函数矩阵和刚度矩阵的性质。边界条件的处理与支反力的计算，形状函数矩阵和刚度矩阵的性质。四、课程建设与改革（含教学思想、教学方法、教学手段）因此本课程的教学思想为：（1）理解基本概念，应用基本原理，掌握基本方法；（2）注重理论联系实际；（3）帮助学生初步建立工程问题的数值计算观念；（4）突出工程分析软件的应用。课程采用多媒体课件上课，由于本课程结合科研前沿，有较多的科研成果，可以通过多媒体电脑给学生演示，起到较为直观我效果。课堂讲课与学生查阅资料、进行课堂讨论相结合。通过反复练习，应能处理基本工程应用问题仿真和模拟，独立完成模型建立、材料属性设置、网格划分、载荷及后处理。上机操作12个学时。为了帮助学生掌握课程的基本内容，培养独立分析能力和一定的研究能力，初步布置作业3次，由于该课是涉及学科研究前沿，因此包括查阅相关论文，并适当安排一定数量的分析讨论。五、各教学环节学时分配讲课习题课讨论课实验其他合计第一章224第二章325第三章325第四章246第五章224合计121224六、考核及成绩评定方式本课程采用考察形式，根据平时上课出勤情况，课堂讨论表现情况，作业完成情况与课后大作业相结合，成绩评定由：期末大作业80%+课堂表现10%+作业10%=100%。1.综合评分法：课程目标目标1目标2目标3考核环节成绩比例合计（%）毕业要求2.23.3\5.212.1考核环节及成绩比例（%）作业1010平时表现1010课程考核30401080毕业要求指标点所占比例合计（%）4040201002.评分标准：1）作业：每次作业必须在规定时间上交，迟交作业或作业满足下列要求，均以零分计，每次作业按百分制评分，总评后折算为10分。作业的评分标准：完成情况得分严格按照作业要求并及时完成，基本概念清晰，解决问题的方案正确、合理，能提出不同的解决问题方案。8-10分基本按照作业要求并及时完成，基本概念基本清晰，解决问题的方案基本正确、基本合理6-7分不能按照作业要求，未及时完成，基本概念不清晰，解决问题的方案基本不正确、不合理，4-5分不能按照作业要求，未及时完成，基本概念不清晰，不能制定正确和合理解决问题的方案。0-3分2）课堂表现：案例分析讨论、知识点讨论、作业讨论等，按百分制评分，总评后折算为10分。课堂表现评分标准：完成情况得分资料的查阅、知识熟练运用，积极参与讨论、能阐明自己的观点和想法，能与其他同学合作、交流，共同解决问题。8-10分基本做到资料的查阅、知识的运用，能参与讨论、能阐明自己的观点和想法，能与其他同学合作、交流，共同解决问题。6-7分做到一些资料的查阅和知识的运用，参与讨论一般、不能阐明自己的观点和想法，与其他同学合作、交流，共同解决问题的能力态度一般。4-5分不能做到资料的查阅和知识的运用，不积极参与讨论，不能与其他同学合作、交流，共同解决问题。0-3分七、教材和参考书目教材：《