《有限元分析與應(yīng)用》課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的分析與研究

錢茹，卞鴿，楊星星，王石莉

《有限元分析與應(yīng)用》課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的分析與研究

錢茹，卞鴿，楊星星，王石莉

(東南大學(xué)成賢學(xué)院機(jī)械工程系，江蘇南京210088)

伴隨著《中國制造2025》的制定與實(shí)施，結(jié)合社會(huì)對(duì)高層次需求的劇增和現(xiàn)有應(yīng)用型本科機(jī)械專業(yè)學(xué)生實(shí)踐的不足，在《有限元分析與應(yīng)用》課程中設(shè)置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；有限元；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

在《中國制造2025》制定與實(shí)施的背景下，社會(huì)與政府對(duì)高層次人才需求的日益劇增，高校加強(qiáng)應(yīng)用型本科人才工程分析能力培養(yǎng)有助于學(xué)生的素質(zhì)和水平。但是長(zhǎng)期以來，對(duì)該課程（此處都沒有引出課程，怎么能用該呢）的認(rèn)識(shí)存在偏頗之處：有限元仿真適合研究型本科人才培養(yǎng)；教學(xué)偏重理論，忽視工程實(shí)踐；重視計(jì)算機(jī)仿真，缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)。因此，針對(duì)應(yīng)用型本科人才，正確合理地進(jìn)行課程定位，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、理論指導(dǎo)實(shí)踐的能力以及創(chuàng)新能力，使之成為高素質(zhì)工程技術(shù)人才，對(duì)該課程實(shí)驗(yàn)和理論教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置進(jìn)行新的嘗試與改革是教師的責(zé)任和義務(wù)。

對(duì)于機(jī)械相關(guān)企業(yè)，采用先進(jìn)的全數(shù)字化的設(shè)計(jì)和高精度的模擬對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行分析是降低產(chǎn)品研發(fā)成本的有效途徑。有限元方法作為求解各種復(fù)雜數(shù)學(xué)問題的數(shù)值計(jì)算方法，可為機(jī)械、建筑、土木等各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析提供可靠依據(jù)，已成為解決實(shí)際問題非常重要的工具和手段。因此，考慮到目前的發(fā)展趨勢(shì)和社會(huì)需求，我校機(jī)械專業(yè)開設(shè)了《有限元分析及應(yīng)用》課程。

過去，我院開設(shè)的這門課程，實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)落后，學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)較少；教學(xué)條件相對(duì)落后，理論教學(xué)基本在教室進(jìn)行，輔以簡(jiǎn)單的幻燈片演示；上機(jī)課時(shí)少，除去教師的教學(xué)演示，學(xué)生的實(shí)踐時(shí)間更少；缺乏驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模擬正確性的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生缺乏感性認(rèn)識(shí)。但是自2015年，根據(jù)應(yīng)用型本科人才教育在培養(yǎng)目標(biāo)、人才規(guī)格、課程設(shè)置的特殊性，對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方式尤其是實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)。

1 物理實(shí)驗(yàn)與有限元機(jī)仿真的關(guān)系

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，各類有限元分析輔助軟件走進(jìn)高校，機(jī)械結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析可以通過軟件實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜機(jī)械零部件力學(xué)分析已無法通過手工計(jì)算完成，但是有限元軟件模擬分析沒有這樣的限制，深受學(xué)生歡迎。但由此弊病凸現(xiàn)，不同人完成的有限元仿真結(jié)果因缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果相別很大。如何利用計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)勢(shì)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(jié)構(gòu)分析具備了傳統(tǒng)手工計(jì)算無與倫比的優(yōu)點(diǎn)，如：ANSYS軟件可以進(jìn)行復(fù)雜箱體零件的力學(xué)計(jì)算，用云圖或者具體數(shù)值來表達(dá)強(qiáng)度、剛度等，為機(jī)械專業(yè)學(xué)生所接受和喜歡。同時(shí)仿真軟件強(qiáng)大的分析功能可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，加速了學(xué)生對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的理論應(yīng)用與實(shí)踐。在該課程的上機(jī)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可根據(jù)實(shí)際零件尺寸進(jìn)行三維建模、仿真分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，大大調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力。但這種缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理論建模用來預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能往往是不可靠的。因此，面向“中國制造2025”培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型本科人才，《有限元分析及應(yīng)用》課程應(yīng)該首先設(shè)置測(cè)繪現(xiàn)有零部件、理論建模、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，其次檢驗(yàn)和校核計(jì)算機(jī)仿真模型，最后用該模型來預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)及改進(jìn)后的力學(xué)性能分析。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.1 以復(fù)雜箱體零件為研究對(duì)象結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證完成有限元仿真與分析

逆向工程獲取零件結(jié)構(gòu)尺寸

逆向工程，是以先進(jìn)產(chǎn)品的實(shí)物、圖紙等技術(shù)文件或影像資料等作為研究對(duì)象，應(yīng)用先進(jìn)設(shè)計(jì)理論、測(cè)試技術(shù)、伸長(zhǎng)工程學(xué)、材料學(xué)等知識(shí)，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)、研究和分析，從而掌握關(guān)鍵技術(shù)，從而開發(fā)更先進(jìn)的同類產(chǎn)品過程。在該課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，選擇結(jié)構(gòu)復(fù)雜的典型機(jī)械零件如減速器箱體作為研究對(duì)象。在掌握減速器箱體結(jié)構(gòu)的工作原理、功能要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其拆裝和測(cè)繪，并使用Pro/ E與ANSYS軟件完成三維實(shí)體模型和有限元模型。

2.2 驗(yàn)證模型正確性

模型的激勵(lì)及響應(yīng)若與物理實(shí)驗(yàn)吻合，我們認(rèn)為這樣的模型具有預(yù)測(cè)性。在該實(shí)驗(yàn)中，給定箱體零件在某具體位置10個(gè)不同的位移載荷，并通過應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)儀采集在不同位置的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。同時(shí)在ANSYS軟件中建立箱體的有限元模型，通過調(diào)整模型的單元類型、實(shí)常數(shù)、網(wǎng)格密度等參數(shù)來確保測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)力應(yīng)變的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)吻合。模型中有足夠多的點(diǎn)的有限元計(jì)算值與實(shí)際測(cè)試值一致，我們認(rèn)為此模型能真實(shí)反映物體的特性，用此模型進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)等各種后續(xù)分析計(jì)算的結(jié)果是可信的。全班可分組完成，每組測(cè)點(diǎn)不少于3個(gè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的有限元仿真值要求與實(shí)際測(cè)試值的誤差控制在10%以內(nèi)。

2.3 在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上完成優(yōu)化設(shè)計(jì)

在以上模型校核的基礎(chǔ)上，以滿足強(qiáng)度條件下質(zhì)量最輕為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且進(jìn)一步對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能預(yù)測(cè)。

3 考核方式

該課程屬于應(yīng)用技術(shù)類課程，既有基本理論又有大量的上機(jī)環(huán)節(jié)，多年來采用的考核方式都是閉卷考試和上機(jī)考試[5]。但該課程若脫離實(shí)驗(yàn)始終是紙上談兵，引入實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)更能全面反映學(xué)生的理論水平、實(shí)驗(yàn)技能，將實(shí)驗(yàn)考核納入總評(píng)成績(jī)更能培養(yǎng)學(xué)生良好的治學(xué)態(tài)度和探索當(dāng)前先進(jìn)科技的積極性。具體方法：（1）讓學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書要求，完成減速器箱體零件應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)，獲得各測(cè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（2）學(xué)生完成箱體的建模分析，并確保分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合，并完成相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。（3）完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫，并將實(shí)驗(yàn)成績(jī)納入總評(píng)考核，約占20%.

4 結(jié)束語

《有限元分析與應(yīng)用》課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置，不僅使理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)相融合，也使力學(xué)相關(guān)主干課程所學(xué)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)相融合，達(dá)到了綜合運(yùn)用知識(shí)、循序漸進(jìn)提高工程素養(yǎng)的目的。學(xué)生完成了機(jī)械結(jié)構(gòu)的測(cè)繪、建模、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、成功分析復(fù)雜機(jī)械零部件等工作，最后再次使用軟件完成了優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了提高大學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。

[1]蘇學(xué)滿，孫麗麗.“中國制造2025”背景下制造業(yè)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(yǎng)研究[J].課程教育研究.2016，6.

[3]劉悅.《中國制造2025》戰(zhàn)略下的智能制造專業(yè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開發(fā)與研究[J].科教導(dǎo)刊，2016，（248）：30-31.

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

[5]向家偉.“有限元方法及程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)實(shí)踐[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，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(xué)成賢學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（1101300332）

錢茹（1980-），女，江蘇常州人，講師，碩士，研究方向：機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化模擬與仿真。