《电脑辅助工程分析》课程教学大纲

《电脑辅助工程分析》课程教学大纲课程编码：AL041620课程性质：专业限选课程适用专业：机械设计制造及其自动化学时学分：40学时2.5学分所需先修课：高等数学、机械原理、机械设计、材料力学、理论力学等编写单位：机电工程学院一、课程说明1．课程简介本课程是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术，其核心技术是有限元理论和数字计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。本课程介绍有限单元法的基本原理、数值方法、计算机实现和有限元在工程中的应用，以及介绍大型有限元软件ANSYS的应用。通过本课程的学习，使学生掌握有限元的基本思想和概念，具备使用ANSYS软件求解工程问题的基本能力。本门课程的先修课程：机械原理、机械设计、理论力学和材料力学等，其相关基础知识直接关系到本门课程各种分析方法的形成。较好的掌握这些基础知识有利于本门课程的学习；与本门课程相关的后续课程：机械优化设计、现代设计方法和毕业设计等，为本课程的引申发展，且属于实践性、应用性较强的基础课。本门课程的基本理论和分析方法是学习这些课程的基础。2．教学目标要求本课程的基本教学目标要求是：1、初步掌握弹性力学的基础知识；2、掌握数值分析方法的一般思想，学会用离散方法求解微分方程；3、掌握有限元方法的公式推导，以及不同单元类型的选择与应用；4、掌握有限元方法程序的使用；5、掌握ANSYS有限元软件在工程问题中的应用。该课程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ANSYS在实际工程中的应用，达到面向社会需求培养人才，全面提高工程教育人才培养质量的目的。3．教学重点难点教学重点：有限元法基本概念、有限元法基本求解步骤和有限元的基本原理；杆件结构单元的特性研究；连续体单元的特性研究；单元刚度矩阵的分析和位移函数的构造；常用机械零件的有限元分析；结构动力学问题的有限元分析等。教学难点：有限元基本原理；单元刚度矩阵的推导；连续体单元的特性；有限元分析软件ANSYS的前处理和后处理。4．学时分配表次序教学内容理论课学时数实验（实践）课学时数第一部分概论2第二部分有限单元法基础108第三部分ANSYS软件应用128小计2416总计405．主要教法、学法积极开展多媒体教学和实际工程案例教学，充分利用幻灯、投影仪、音像、CAI等现代化教学手段，将该领域的一些工程实例作为案例，在课堂上为学生演示。以提高课堂效率和教学效果，激发学生的学习兴趣。6．考核方式及标准1）考核目的：考核学生对电脑辅助工程分析的基本知识、基本理论、ANSYS软件应用等的理解和掌握程度，促进学生提高分析和解决问题的能力。2）考核形式：考查。3）成绩评定：上机成绩占总成绩的60%，其他（包括考勤、讨论等）成绩占总成绩的40%。二、各部分教学纲要第一部分概论（2学时）教学目标介绍电脑辅助工程分析技术在结构设计中的应用现状和发展趋势，了解有限元分析的主要内容及有限元分析在实际工程设计与分析中的重要作用。本部分重点1．有限元方法的基本原理2．有限元分析的内容和作用本部分难点理解离散化、单元和节点的概念。教学内容CAE技术概述有限元分析概念、现状和发展趋势有限元分析的内容和作用有限元应用示例第二部分有限单元法基础（10学时）教学目标了解弹性力学基础知识和理论基础；了解工程问题数值解法、有限元法概述；了解有限元分析的分析类型；理解有限元理论基础、理解位移函数和形函数概念；理解有限元分析基本步骤、建模和分析技巧，重点掌握有限元分析建模的技巧和注意事项；通过杆件结构单元、平面问题常应变三角形单元的应用，了解有限单元法的计算步骤；了解空间问题的基本方程和边界条件。使学生学会在机械设计中应用有限元新技术，对有限元的基本理论、基本方法有比较全面的理解，同时，培养学生运用有限元理论知识解决工程实践的能力、创新创造的能力。本章重点弹性力学中基本变量、方程和边界条件设置；有限元分析基本步骤；矩阵组装与总体方程的形成；平面问题的单元构造；轴对称问题及其单元构造。本章难点单元刚度矩阵和总体刚度矩阵组集。平面问题的单元构造教学内容弹性力学基础1.1弹性力学概述1.2弹性力学平面问题1.3平衡微分方程1.4一点的应力状态1.5几何方程1.6物理方程1.7边界条件1.8按位移求解平面问题有限元分析的数学基础2.1简单问题的解析解2.2弹性力学问题近似求解的加权残值法2.3弹性问题近似求解的虚功原理、最小势能原理及其变分原理2.4各种求解方法的特点及比较杆件结构的有限元分析原理3.1有限元分析求解的完整过程3.2有限元分析的基本步骤及表达式3.3杆单元及其坐标变换3.4梁单元及其坐标变换连续体弹性问题的有限元分析原理4.1连续体的离散过程及特征4.2平面问题的单元构造4.3轴对称问题及其单元构造有限元分析中若干问题考虑及辅助单元构造有限元分析的应用领域6.1结构问题的有限元分析6.2传热和热应力问题的有限元分析现代有限元分析系统简介第三部分ANSYS软件应用（12学时）教学目标ANSYS是计算机诞生以来计算工程领域最为有效的计算方法。通过多媒体教学和上机实验，使学生掌握有限元分析软件ANSYS的基本使用方法，包括建模、网格划分、施加载荷、求解等。进而了解工程领域的一些高级分析方法，如线性静力分析、模态分析、瞬态动力分析等。能够利用软件解决实际工作中遇到的有限元分析问题，为进一步学习或实际应用及参加科研工作开辟道路。本部分重点ANSYS软件界面、架构及命令；几何建模和网格划分；工程项目分析流程。本部分难点ANSYS软件的前处理部分和后处理部分。教学内容ANSYS软件简介1.1软件简介1.2安装和启动1.3常用图形界面建立有限元模型2.1坐标系和工作平面2.2自底向上建模2.3自顶向下建模2.4布尔运算2.5编辑图元网格划分3.1网格划分的过程3.2网格划分控制3.3实体模型网格划分3.4网格检查3.5自适应网格施加载荷和求解4.1载荷和载荷步4.1位移约束4.2集中载荷4.3表面载荷4.4体载荷4.5求解通用后处理器5.1概述5.2图形显示5.3单元表5.4使用路径结构静力学分析6.1概述6.2结构线性静力分析6.3结构非线性分析结构动态分析7.1模态分析7.2谐波响应分析7.3瞬态响应分析结构热分析8.1基础知识8.2稳态热分析8.3瞬态热分析ANSYSWorkbench简介实验部分本课程实践环节共安排八个工程案例，由学生独立上机完成，共16学时。实验一：平板的有限元建模与应力变形分析（2学时）实验二：受内压作用的管道的有限元建模与分析（2学时）实验三：平面桁架的有限元建模与变形分析（2学时）实验四：平面简支梁的有限元建模与变形分析（2学时）实验五：轴承座有限元建模与静力分析（2学时）实验六：高速旋转轮盘的有限元建模与动力学分析（2学时）实验七：两端固定梁的谐波响应分析（2学时）实验八：稳态热力学问题的有限元建模与分析（2学时）三、教材及教学资源使用教材：[美]莫维尼（SaeedMoaveni）.有限元分析-ANSYS理论与应用（第四版）.北京：电子工业出版社,2015.参考书：[1]龚曙光,边炳传.有限元基本理论及应用（第一版）.武