理论教学\传统实验与“有限元分析”有机结合的探索与研究

应用能力，将有限元方法的基本理论与实际工程紧密结合起来，发挥多媒体教学直观、互动的特点，提高了学生的学习积极性，既让学生了解有限元方法的起源以及发展历程，又要由浅入深，让学生掌握典型的一维杆系结构、二维弹性力学平面问题、板壳单元、三维实体单元等构造，并从变分原理、矩阵位移法角度详细讨论有限元方法的单元离散问题。从线性静力有限元分析出发，到动力问题。让学生对有限元结构分析基本原理、计算公式和计算步骤有较深的理解。为此，精讲平面问题的弹性力学经典理论和有限元法求解平面问题的基本原理及计算步骤，使学生能够真正理解弹性力学的研究方法和有限元数值求解的步骤。有限元软件工具采用能够编制，dat文件的FEAP与在土木工程领域应用广泛的ANSYS软件系统相结合，教学演示与自主建模相结合，精心设计上机操作的内容，让学生在较短的时间内熟练掌握有限元软件的使用方法。有限元法的内容与工程应用是紧密相关的，从工程实践中精选有代表性的实例，让学生练习建模分析，会收到良好的教学效果。
　　加强学生的基础训练，从“数值分析”人手，使学生在理解有限元的数学力学基础上，着重于方法论的融会贯通。有限元结构分析程序是把有限元结构分析理论和方法通过算法与应用计算机实现计算过程的连接纽带，有限元程序是实现有限元计算应用的关键。为达到对有限元结构分析方法的基本原理及公式更全面的了解，掌握有限元解题方法的步骤，我们采用以人为本的上机实践，提供有限元程序框图及大部分或全部有限元程序功能模块，并对程序进行讲解说明，要求学生分工编写或改写部分子程序，形成完整的有限元程序。上机操作以完成程序的连接调试工作，以培养阅读和编写有限元程序的能力，较好地掌握和使用程序，适应所给出新问题为要求。
　　通过上机实践，不仅能加深学生对理论知识的理解，培养学生的实际动手能力，尤为重要的是，只有通过上机实践，学生才能真正投入到有限元分析的过程中来，并在使用中发现问题，独立或在教师的帮助下分析问题，最终具备独立解决问题的能力。对于课程教学计划中有限的上机学时，除加强上机实习的监管外，注重对学生一对一的上机辅导，鼓励学生独立完成案例分析和进行课外的上机操作练习，使本科生应用有限元方法进行结构分析成为可能。
　　
　　三、教学实验的设计
　　
　　有限元方法课程的目标是让学生掌握和应用有限元方法，为今后用该方法分析和解决工程实际问题打下一个良好的基础。显然，该课程的教学与工程实际是紧密相关的。为此，笔者设计了模拟二层楼房的双层刚架的静动态综合性实验装置，它集中了几类基本受力构件，如受弯构件(板和梁)、拉压构件(柱)，并通过刚结点将各类构件连成整体。此结构具有良好的韧性，抗振能力强，在弹性范围内摆动多次都不破坏，适合教学实验。且可通过更换柱的高度和增多、减少板梁的个数来研究一个或多个自由度体系，如图2所示。刚架每层高110mm，柱材料为弹簧刚片，弹性模量E为206GPa，柱宽10mm，厚0.8 mm，设计的准则是保证刚架受2公斤以下的力激振时，左右摆动弹簧刚片不会产生塑性变形，始终保持弹性状态。模拟楼板材料为铝板，规格为130mm×130mm×12mm，在刚架的顶层中心开一个直径为8 mm的孔，用以做实验时更换不同大小的附加质量块，板梁和柱的接触面先用环氧树脂粘贴，再用螺钉紧固，以保证板梁和柱为刚结点结合。在刚架的底层楼板中心开一个直径为8mm的孔，用以和基础板槽钢紧固。实验装置由基础底板、刚架、激振器、激振器夹具、激振信号源、动静态应变仪和和分析系统等组成，如图3所示。
　　
　　
　　对此结构，指导学生运用有限元法进行数值模拟，编写程序，最后用应力云图、变形云图显示结构的应力、应变分布等；再通过实验测试，及应用传统的结构力学进行计算，最后写出实验报告，比较讨论各种结果，培养学生善于发现问题，探索及解决问题的能力及创新精神，进一步加强对传统理论、实验数据、有限元分析的理解与应用。论教学、传统实验与数值模拟有机结合起来，掌握有限元方法，我们只有不断进行教学研究与探索，合理设置教学内容，不断改进教学方法，在有限元教学中不断渗透学科发展的前沿知识，将最新的研究成果、科研工作融入到教学中，才能在有限的教学学时内让学生牢固掌握基本知识。从教学方法、内容选择、实验设计等几个方面的探索表明，在“有限元方法”课程的教学过程中，学生的总体反应很好，亲身感受了有限元工具软件及力学知识的实际应用，对学生相辅相成地理解和学习其它力学课程及后续的专业课程有很大的帮助。

　有限元分析是工程领域进行数值模拟极为重要的手段，已成为工程设计及分析的最重要工具之一，有限元分析的数值方法、分析解法与实验研究已成为现代工程科学的三大支柱，…在现代土木工程中得到了非常广泛的应用。有限元方法成本较低，适用范围宽，可以获得几乎任意复杂工程结构的各种机械性能信息，还可以直接就工程设计进行各种评判，可以就各种工程事故进行技术分析。力学分析的软件化，使得对结构或机构做力学分析变得大为简单，一般的力学分析不再需要专门的力学人才去完成。有限元方法是有限元分析的理论基础，是求解各种复杂数学物理问题的重要方法，也是进行可行性研究的重要工具。掌握有限元方法的基本原理和编程技巧，更好地应用有限元分析这一强有力的数值计算工具，成为各高校工程类大学生的学习内容和要求。
　　
　　一、教学方法的探索
　　
　　有限元法是土木工程本科生接触到的唯一数值计算方法，也是当前应用最广泛的方法。有限元法通过离散与组合，可以适应弹性体的任意边界形状，材料性质及荷载分布等复杂性，非常适合于编制计算机程序，得到了极其广泛的应用和发展。然而虽然有限元方法的基本思想和原理是“简单”而又“朴素”的，但“有限元方法及程序设计”课程却又综合了力学理论、矩阵分析、数值计算、工程结构等多方面的知识。“数理原理+软件工具+应用对象”是有限元分析这门课的三个主要特征。由于其所涉及到的数学力学知识往往使初学者望而生畏，探讨合理的教学模式成为有限元课程的首要任务。 (责任编辑：nylw.net)转贴于八度论文发表网: http://www.8dulw.com(论文网__代写代发论文_论文发表_毕业论文_免费论文范文网_论文格式_广东论文网_广州论文网)