《工程有限元分析》课程教学大纲（本科）.docx

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1、工程有限元分析(Finite Element Analysis in Engineering)课程代码：03410079学分：2学时：32 （其中：讲课学时：26 实验学时：0 上机学时：6 课外学时:0 ）先修课程：高等数学、线性代数、机械制图、机械原理及设计、材料力学适用专业：机械类专业、近机械类专业教材：弹性力学及有限元，李世芸、肖正明编著，北京：机械工业出版社，2016年1月第1版一、课程性质与课程目标（一）课程性质工程有限元分析是高等学校机械类专业的一门技术基础必修课程，也可作为近机械类相关 专业本科生的必修课、选修课。工程有限元分析是建立在高等数学、线性代数、机械制图、机 械原理及

2、设计及材料力学等课程知识的基础上，为现代设计方法和数值仿真技术课程的学习打好坚 实的基础。通过对本课程的学习，使学生掌握弹性力学及有限元的基本理论和基本方程，掌握应用 ANSYS Workbench进行有限元数值模拟和仿真的操作方法，并应用弹性力学及有限元的基本理论, 对ANSYS Workbench数值计算和仿真结果的合理性、有效性进行判断。该课程的教学实施以课堂教学为主，结合上机实践及学生自学的形式开展，要求学生利用课余 时间上网检索指定或自选内容的自学资料和参考文献，从而不断强化学生对本课程各知识点的掌握, 旨在帮助学生重点了解当前工程有限元分析的新技术、新理论和新方法，进一步熟悉和掌握

3、工程有 限元分析在机械工程领域的应用，同时能够更好地了解工程有限元分析的国际发展新动态。（-）课程目标课程目标1：熟练掌握弹性力学及有限元分析的基本理论和基本方程，应用ANSYS Workbench 进行有限元数值模拟和仿真的具体操作方法（包括三维建模、材料属性的设定、约束和加载、结果 后处理等有限元分析环节），使学生初步具备利用有限元分析方法解决实际工程问题的能力。课程目标2：能够利用工程有限元分析的相关检索关键词，结合实际工程问题进行必要的文献 检索和调研，了解本课程领域研究及发展现状。二、课程内容与教学要求4有限元法及其应用，江见鲸、何放龙、何益斌等编著，北京：机械工业出版社，2015年

4、11月第1版次；5ANSYS Workbench工程实例详解，许京荆编著，北京：人民邮电出版社，2016年9月 第4版次。2017年9月28日第一章绪论（-）课程内容（1）弹性力学的内容；（2）弹性力学的基本假设和解题基本方法；（3）有限元概述及其发展现状；（4）有限元法的基本思路和求解方法；（5）有限元法的优缺点；（6）通用有限元软件结构简介。（二）教学要求（1）知识点方面掌握弹性力学的基本假设和基本理论；了解有限元分析的概念及其发展现状，了解有限元分析 的基本思想和方法；掌握利用有限元分析方法对工程实际问题进行分析的一般步骤；了解现有通用 有限元分析软件及其基本操作方法和步骤。（2）能力与

5、素养方面初步培养学生掌握利用有限元分析方法对工程实际问题进行分析的一般操作步骤，激发学生对 本课题的学习兴趣。（三）重点与难点（1）弹性力学的基本假设和基本理论的掌握；（2）有限元分析方法的一般分析步骤。第二章弹性力学基本方程（-）课程内容（1）弹性力学的基本假设和基本概念；弹性力学的基本假设 弹性力学的基本概念（2）弹性力学基本方程； 静力平衡方程和剪应力互等定理力的边界条件应力状态分布几何方程及应变协调方程物理方程（应力与应变的关系）弹性力学问题的解题方法 平面应力问题和平面应变问题虚功原理和最小位能原理（3）强度理论概述及校核要求。（二）教学要求（1）知识点方面深入理解弹性力学的基本假设

6、和基本理论；理解并掌握弹性力学的基本方程；了解材料的强度 理论概述及其校核要求。（2）能力与素养方面培养学生的自主学习能力，使学生能够根据弹性力学的基本理论自行推性力学的基本方程。（三）重点与难点（1）弹性力学几个基本方程的理解及其推导过程的掌握；（2）虚功原理的掌握；（3）对强度理论概念的理解及其校核要求的掌握。第三章杆单元和梁单元问题分析（-）课程内容（1）杆单元问题分析；一维杆单元平面杆单元空间杆单元（2）梁单元问题分析。与坐标轴平行的平面梁单元平面梁单元空间梁单元（二）教学要求（1）知识点方面掌握各单元位移函数的构造方法及其求解方法；掌握各单元形函数的求解方法及其特性；掌握 单元应力、

7、应变的求解；掌握单元刚度矩阵的求解方法及其物理意义；掌握杆系、梁结构问题物理 系统的总体刚度矩阵的求解方法；了解坐标转换矩阵的基本原理。（2）能力与素养方面培养学生能够正确区分杆单元和梁单元的能力；培养学生能够根据实际工程问题，利用杆单元 或梁单元的分析理论进行有限元分析的能力。（三）重点与难点（1）单元位移函数的构造及其求解方法；（2）单元刚度矩阵的求解；（3）总体刚度矩阵的求解。第四章 平面问题有限元分析（-）课程内容（1）3节点三角形单元的有限元分析；三角形单元的位移函数和形函数三角形单元的应变和应力 三角形单元的基本方程（节点力和节点位移的关系） 单元刚度矩阵的性质及物理意义非节点载荷

8、的移置总体刚度矩阵的建立与分析平面问题有限元法举例（2） 4节点矩形单元的有限元分析；矩形单元的位移函数和形函数矩形单元的应变和应力 矩形单元的基本方程（节点力和节点位移的关系）单元刚度矩阵的性质及物理意义非节点载荷的移置总体刚度矩阵的建立与分析 平面问题有限元法举例（3）平面单元精度的分析比较。（二）教学要求（1）知识点方面掌握平面问题各单元位移函数的构造方法及其求解方法；掌握平面问题各单元形函数的求解方 法及其特性；掌握平面问题各单元应力、应变的求解；掌握平面问题各单元的单元刚度矩阵的求解 方法及其物理意义；掌握平面问题物理系统的总体刚度矩阵的求解方法。（2）能力与素养方面培养学生掌握正确

9、区分平面应力问题和平面应变问题的辨识方法，并能将实际工程问题转化为 平面问题求解的分析运用综合能力；使学生真正理解并掌握平面问题单元形函数和单元刚度矩阵的 性质及其物理意义。（三）重点与难点（1）单元位移函数的构造及其求解方法；（2）单元形函数的求解；（3）单元刚度矩阵的求解；（4）总体刚度矩阵的求解。第五章 轴对称问题有限元分析(-)课程内容(1)轴对称问题的基本概念和基本方程；(2)轴对称三角形单元有限元分析。三角形单元的位移函数和形函数三角形单元的应变和应力 三角形单元的基本方程(节点力和节点位移的关系)单元刚度矩阵的性质及物理意义非节点载荷的移置单元的集合应变、应力分量的计算(二)教学

10、要求(1)知识点方面掌握轴对称问题的基本概念和基本方程；掌握轴对称问题三角形单元位移函数的构造方法及其 求解方法；掌握轴对称问题三角形单元形函数的求解方法及其特性；掌握轴对称问题三角形单元应 力、应变的求解及其分量的计算方法；掌握轴对称问题三角形单元的单元刚度矩阵的求解方法及其 物理意义。(2)能力与素质方面培养学生掌握轴对称问题的基本概念和基本方程；培养学生能针对实际工程问题，利用轴对称 单元进行有限元分析和求解。(三)重点与难点(1)单元位移函数的构造及其求解方法；(2)单元形函数的求解；(3)单元刚度矩阵的求解。第六章空间问题有限元分析(-)课程内容(1)4节点四面体单元有限元分析；4节

11、点四面体单元的位移函数和形函数4节点四面体单元的应变和应力4节点四面体单元的基本方程(节点力和节点位移的关系) 单元刚度矩阵的性质及物理意义非节点载荷的移置总体刚度矩阵的建立与分析8节点六面体单元有限元分析；8节点六面体单元的位移函数和形函数8节点六面体单元的应变和应力8节点六面体单元的基本方程(节点力和节点位移的关系)单元刚度矩阵的性质及物理意义非节点载荷的移置(3)空间单元精度的分析比较。(二)教学要求(1)知识点方面掌握空间问题各单元位移函数的构造方法及其求解方法；掌握空间问题各单元形函数的求解方 法及其特性；了解空间问题各单元应力、应变的求解；了解空间问题各单元的单元刚度矩阵的求解 方

12、法及其物理意义；了解空间问题物理系统的总体刚度矩阵的求解方法。(2)能力与素质方面培养学生能够针对不同的工程实际问题，选择不同的空间实体单元进行有限元分析运用的综合 能力。(三)重点与难点(1)单元位移函数的构造及其求解方法；(2)单元形函数的求解；(3)单元刚度矩阵的求解；(4)总体刚度矩阵的求解。第七章结构动力学问题有限元分析(-)课程内容(1)动力学有限元方程；(2)质量矩阵和阻尼矩阵；(3)无阻尼自由振动特征值问题的求解；固有频率和固有振型固有振型的性质(4)动力学有限元方程的求解方法(直接积分法和振型叠加法)；(5)动力学有限元方程求解方法稳定性和计算精度的比较。(二)教学要求(1)

13、知识点方面掌握结构动力学问题的特性；了解动力学问题的质量矩阵和阻尼矩阵的求解及其性质；了解动 力学有限元方程的求解方法；掌握固有频率及模态分析的物理意义。(2)能力与素质方面培养学生能够正确区分静力学问题和动力学问题的辨识能力，同时能针对具体的工程实际结构 动力学问题，进行动力学有限元分析运用的综合能力，并就其分析结果进行判定和总结。(三)重点与难点(1)动力学有限元方程的理解和掌握；(2)动力学有限元方程求解方法的掌握；(3)动力学有限元分析结果的判定及总结。第八章 ANSYS Workbench有限元分析软件的应用(-)课程内容(1) ANSYS Workbench 概述；ANSYS Wo

14、rkbench几何建模及案列解析；(3)网格划分及案例解析；(4)静力学分析及案例解析；(5)动力学分析及案例解析。(二)教学要求(1)知识点方面掌握利用ANSYS Workbench进行有限元分析的基本方法和操作步骤；掌握ANSYS Workbench 中模型的建立方法(自上而下的建模方法和自下而上的建模方法)；掌握在ANSYS Workbench中进 行材料属性的设定、单元的选择及正确施加载荷和约束条件的处理方法；掌握从其它CAD软件将几 何模型导入ANSYS Workbench的处理方法。(2)能力与素质方面培养学生掌握一门工程有限元分析软件ANSYS Workbench；培养学生能够利

15、用ANSYS Workbench针对具体的工程实际结构进行有限元分析运用的综合能力。(三)重点与难点ANSYS Workbench中三维模型建立方法的掌握；(1) ANSYS Workbench中正确施加载荷和约束条件方法的掌握；从其它CAD软件将几何模型导入ANSYS Workbench的处理方法。三、本课程开设的实验项目编号实验项目名称学时类型要求支撑的课程目标1上机6综合性必做目标1注：1 .“类型”填验证性、综合性、设计性等；2.“要求”填必做、选做。上机：ANSYS Workbench有限元分析软件的操作步骤和熟练应用通过借助工程有限元分析软件ANSYS Workbech,熟练掌握不

16、同有限元分析问题的具体分析步 骤和结果后处理方法，使学生具备在实际应用中做到具体问题具体分析的专业技能。四、学时分配及教学方法注：1 .课程实践学时按相关专业培养计划列入表格;章（按序填写）教学形式及学时分配主要教学方法支撑的课程 目标课堂 教学实验上 机课程 实践小计第一章22讲授法目标2第二章22讲授法+讨论法目标2第三章44讲授法+讨论法目标1第四章66讲授法+讨论法目标1第五章22讲授法+讨论法目标1弟八早66讲授法+讨论法目标1第七章44讲授法+讨论法目标1第八章66演示法目标1合计266322.主要教学方法包括讲授法、讨论法、演示法、研究型教学方法（基于问题、项目、案例等教学方法）

17、等。五、课程考核考核形式考核要求考核权重支持的课程目标平时成绩上课出勤率情况和大作业完成质量。30%目标1、2上机成绩利用ANSYS Workbench进行有限元分析操 作，现场考核打分。10%目标1期末考试开卷60%目标1注：1 .分学期设置和考核的课程应按学期分别填写上表。2 .考核形式主要包括课堂表现、平时作业、阶段测试、期中考试、期末考试、大作业、小 论文、项目设计和作品等。3 .考核要求包括作业次数、考试方式（开卷、闭卷）、项目设计要求等。4 .考核权重指该考核方式或途径在总成绩中所占比重。六、课程目标达成度评价七、大纲说明课程目标对应考核形式实际评测结果（学生达到的平均水平）对应

18、总分达成度课程目标1平时成绩、上机成绩、 期末考试平时成绩xl5%+上机成绩 xl0%+期末成绩x60%85达成度=实际 测评结果平均 分/对应总分课程目标2平时成绩平时成绩X15%15达成度=实际 测评结果平均 分/对应总分.采用多媒体教学手段，保证讲课进度的同时注意学生的掌握程度和课堂的气氛；1 .在第一章讲授结束时，布置课程大作业的选题和要求。2 .本课程有6个学时的上机课时，具体上机项目见大纲中实验项目部分。八 参考书目及学习资料.使用教材弹性力学及有限元，李世芸、肖正明编著，北京：机械工业出版社，2016年1月第1版次。1 .参考书目1工程有限元分析，崔德渝、徐元铭编著，北京：北京航空航天大学出版社，2013年1 月第1版次；2工程中的有限元法英文版，钱德拉佩特拉等著，北京：机械工业出版社，2013年 11月第1版次；3工程弹性力学与有限元基础，张建文、刘彦辉、赵莹莹编，北京：机械工业出版社, 2013年7月第1版次；