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《機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析》課程教學(xué)設(shè)計(jì) （一）基本描述 課程名稱(chēng)：機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析 英文譯名：FINITE ELEMENT METHOD OF MECHANICAL STRUCTURE 課程學(xué)時(shí)：30 講課：26 實(shí)驗(yàn)：4 適用專(zhuān)業(yè)：機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè) 開(kāi)課單位：機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械制造及自動(dòng)化系 開(kāi)課時(shí)間：第七學(xué)期 先修課程：材料力學(xué) 主要教材及參考書(shū)： 1、“有限元素法及其應(yīng)用講義”（自編） 2、王新榮主編《有限元素法》，中國(guó)臺(tái)北出版社，1997年 3、王守信主編《有限元法教程》，哈工大出版社，1994年 （二）課程的性質(zhì)、研究對(duì)象及任務(wù) 本課程是為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)選修課，重點(diǎn)介紹有限元法的基本原理和方法、一些成熟的有限元軟件功能和簡(jiǎn)單的分析步驟，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際，為他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)或?qū)嶋H應(yīng)用及參加科研工作開(kāi)辟道路。其任務(wù)是通過(guò)先修課程中所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用和新知識(shí)的獲取，使學(xué)生初步掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的一種重要方法，開(kāi)闊視野，提高能力，以適應(yīng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的要求。具體的教學(xué)目的如下： 1、了解有限元方法的應(yīng)用范圍和目前的發(fā)展?fàn)顩r； 2、掌握有限元分析的基本原理和方法； 3、初步掌握一些成熟的有限元軟件功能和簡(jiǎn)單的分析步驟，結(jié)合上機(jī)和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠利用現(xiàn)有軟件對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)或?qū)嶋H應(yīng)用及參加科研工作打下基礎(chǔ)。 （三）教材的選擇與分析 “有限元素法及其應(yīng)用”講義是以王新榮主編的《有限元素法》為基礎(chǔ)，并增加了有限元分析軟件應(yīng)用的內(nèi)容。自20世紀(jì)80年代起，哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)理工科專(zhuān)業(yè)的本科生和研究生開(kāi)設(shè)了有關(guān)“有限元分析”的課程，在多年教學(xué)和科研的基礎(chǔ)上，相繼出版了《機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析》、《有限元法教程》和《有限元素法》等教材。該講義主要針對(duì)高等院校各理工科專(zhuān)業(yè)本科生的需要而編寫(xiě)，同時(shí)也考慮了在職工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)和未修過(guò)有限元課程的研究生自學(xué)的要求。編寫(xiě)上注意由淺入深、通俗易懂，以便具有一定力學(xué)知識(shí)和工程技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的高年級(jí)大學(xué)生和在職工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)使用。 （四）本課程各章的主要內(nèi)容與基本要求、重點(diǎn)與難點(diǎn)、學(xué)時(shí)分配 第一章 概論（講課2學(xué)時(shí)） 有限元法的基本概念、思路和發(fā)展過(guò)程，有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域，單元特性矩陣的導(dǎo)出方法以及常用單元的類(lèi)型。 重點(diǎn)：有限元法中單元特性矩陣的導(dǎo)出方法。 第二章 彈性力學(xué)的基本方程式（講課2學(xué)時(shí)） 變形體的描述與變量定義、彈性體的基本假設(shè)和研究的基本技巧；應(yīng)力及其分量、力的平衡微分方程、位移和應(yīng)變以及位移和應(yīng)變的關(guān)系（幾何方程和物理方程）、虛功方程。 重點(diǎn)：應(yīng)力及其分量、力的平衡微分方程、位移和應(yīng)變以及位移和應(yīng)變的關(guān)系。 難點(diǎn)：虛功方程。 第三章 桿、梁?jiǎn)卧挠邢拊ǎㄖv課4學(xué)時(shí)） 建立計(jì)算模型、局部坐標(biāo)系中桿單元的剛度矩陣、坐標(biāo)變換、統(tǒng)一坐標(biāo)系中桿單元的剛度矩陣、桿單元的應(yīng)用舉例和總剛陣的組集方法、平面梁?jiǎn)卧膭偠染仃嚭蛻?yīng)用舉例。 重點(diǎn)：建立計(jì)算模型，求出桿單元的剛度矩陣。 難點(diǎn)：坐標(biāo)變換。 第四章 平面問(wèn)題的有限元法（講課4學(xué)時(shí)） 平面矩形板單元的剛度矩陣和應(yīng)用舉例、形狀函數(shù)、平面高次板單元的剛度矩陣、平面等參數(shù)單元的剛度矩陣、結(jié)構(gòu)總剛陣的特點(diǎn)和組集方法、邊界條件處理、載荷移置。 重點(diǎn)：板單元?jiǎng)偠染仃嚒? 難點(diǎn)：形狀函數(shù)。 第五章 薄板彎曲問(wèn)題及板、梁組合問(wèn)題的有限元法（講課2學(xué)時(shí)） 角形薄板單元的有限元法、板和梁?jiǎn)卧慕M合問(wèn)題、坐標(biāo)變換。 重點(diǎn)：板和梁?jiǎn)卧慕M合問(wèn)題。 難點(diǎn)：對(duì)薄板彎曲問(wèn)題的理解。 第六章 軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題的有限元法（講課2學(xué)時(shí)） 彈性力學(xué)軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題的基本方程式、三角形截面形狀單元的剛度矩陣、軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題的載荷移置、軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題的有限元解法。 重點(diǎn)：軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題的有限元解法。 第七章 三維實(shí)體單元的有限元法（講課2學(xué)時(shí)） 四面體單元的剛度矩陣、六面體單元的剛度矩陣以及三維等參數(shù)單元。 第八章 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的有限元方法（講課4學(xué)時(shí)） 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程、單元質(zhì)量矩陣、單元阻尼矩陣、求解自由振動(dòng)問(wèn)題簡(jiǎn)例。 重點(diǎn)：用有限元法求解動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。 難點(diǎn)：動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)。 第九章 有限元軟件（講課4學(xué)時(shí)） 介紹ANSYS有限元軟件的使用，包括建模、邊界條件處理等。 （五）教學(xué)環(huán)節(jié) 1．課堂講授（26學(xué)時(shí)） 任課教師必須做到下面幾點(diǎn)： 1）認(rèn)真?zhèn)湔n，做好教案，熟練掌握課程的基本內(nèi)容。 2）以學(xué)生為中心，采用啟發(fā)式等教學(xué)方法，注意調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力。 3）講課的思路要清晰，概念要準(zhǔn)確，重點(diǎn)要突出，要理論聯(lián)系實(shí)際，多舉一些實(shí)例，要適時(shí)反映本學(xué)科發(fā)展的狀態(tài)； 4）教學(xué)手段要完備，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的要求，恰當(dāng)運(yùn)用多媒體教學(xué)手段。 5）上課精神飽滿(mǎn)，教書(shū)育人，為人師表，以人格魅力和精神氣質(zhì)，激發(fā)學(xué)生的求知欲和思維活力，在潛移默化中影響學(xué)生。 2．作業(yè) 為引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索、理解與掌握知識(shí)，培養(yǎng)運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力，在各主要章的課后都留有習(xí)題作業(yè)，教師認(rèn)真批閱，評(píng)出成績(jī)。 3．實(shí)驗(yàn)（4學(xué)時(shí)） 本課程是一門(mén)理論性、應(yīng)用性都很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和鞏固所學(xué)知識(shí)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。共安排了4學(xué)時(shí)3個(gè)必作實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)如下： ①固有頻率測(cè)試實(shí)驗(yàn)（1學(xué)時(shí)）； ②靜態(tài)變形測(cè)試實(shí)驗(yàn)（1學(xué)時(shí)）； ③上機(jī)實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）； 實(shí)驗(yàn)有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。 實(shí)驗(yàn)時(shí)每組人數(shù)2-4人，每個(gè)教師指導(dǎo)的人數(shù)一般不超過(guò)15人。任課教師要指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，并且要批改至少一個(gè)小班的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，寫(xiě)出評(píng)語(yǔ)，評(píng)出成績(jī)。 （六）信息交流，教學(xué)相長(zhǎng) 1.所有的教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)文件都要與學(xué)生溝通，使學(xué)生了解學(xué)什么？怎樣學(xué)？掌握那些基本內(nèi)容，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性； 2.通過(guò)作業(yè)講評(píng)，教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，指出存在的問(wèn)題，提出要求，引導(dǎo)學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度，掌握正確的學(xué)習(xí)方法； 3.定期進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，認(rèn)真聽(tīng)取學(xué)生對(duì)教學(xué)工作的反映，教師要積極的、有的放矢地改進(jìn)教學(xué)。 （七）考核辦法 采用累加式的考核方法，即課程的總成績(jī)由以下幾部分構(gòu)成。 平時(shí)成績(jī)占20﹪（聽(tīng)課、作業(yè)），實(shí)驗(yàn)上機(jī)占10﹪，期末考試成績(jī)占70﹪。