机械结构有限元分析教学大纲

《机械结构有限元分析》教学大纲

课程编号：S4080280

课程名称：机械结构有限元分析

课程英文名称：FINITE ELEMENT METHOD OF MECHANICAL

STRUCTURE

总学时：30 讲课学时：26 实验学时：4

学分：2

开课单位：机电工程学院机械制造及自动化系

授课对象：机电工程学院机械设计制造及其自动化专业

先修课程：材料力学

开课时间：第七学期

教材与主要参考书：

“有限元素法及其应用”讲义（自编）

王新荣主编.《有限元素法》.中国台北出版社1997年

王守信主编.《有限元法教程》.哈工大出版社 1994年

一、课程的教学目的

随着科学技术的发展，产品的结构和功能日趋复杂化和多样化，对产品机械结构的布局和力学性能提出了更高的要求，不仅要求产品的机械结构满足力学性能，还要在设计时使它的结构尺寸和质量趋于合理，而常规的力学计算已无法满足。有限元法经过三十多年的发展，已达到相当成熟的境地，在工程实践中的作用从分析与校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计、计算机辅助生产等技术相结合，是有效地求解各种工程实际问题的最好方法之一。

本课程是为机械设计制造及其自动化专业本科生开设的一门专业选修课，重点介绍有限元法的基本原理和方法、一些成熟的有限元软件功能和简单的分析步骤，同时结合工程实际，为他们进一步学习或实际应

用及参加科研工作开辟道路。其任务是通过先修课程中所学知识的综合运用和新知识的获取，使学生初步掌握现代设计中的一种重要方法，开阔视野，提高能力，以适应科学技术发展的要求。具体的教学目的如下：

1、了解有限元方法的应用范围和目前的发展状况；

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软件功能和简单的分析步骤，结合上机和实验，使学生能够利用现有软件对实际结构进行有限元分析，为进一步学习或实际应用及参加科研工作打下基础。

机械结构有限元分析是现代机械设计模块的限选课，在教学过程中充分利用了多媒体教学手段，同时结合各种实践教学环节，进行有限元分析的基本训练。“机械结构有限元分析”课在教学计划中占有重要的地位和作用。

二、教学内容及基本要求

（一）本课程的主要章节

第一章概论（讲课2学时）

有限元法的基本概念、思路和发展过程，有限元法的应用领域，单元特性矩阵的导出方法以及常用单元的类型。

第二章弹性力学的基本方程式（讲课2学时）

变形体的描述与变量定义、弹性体的基本假设和研究的基本技巧；应力及其分量、力的平衡微分方程、位移和应变以及位移和应变的关系（几何方程和物理方程）、虚功方程。

第三章杆、梁单元的有限元法（讲课4学时）

建立计算模型、局部坐标系中杆单元的刚度矩阵、坐标变换、统一坐标系中杆单元的刚度矩阵、杆单元的应用举例和总刚阵的组集方法、平面梁单元的刚度矩阵和应用举例。

第四章平面问题的有限元法（讲课4学时）

平面矩形板单元的刚度矩阵和应用举例、形状函数、平面高次板单元的刚度矩阵、平面等参数单元的刚度矩阵、结构总刚阵的特点和组集方法、边界条件处理、载荷移置。

第五章薄板弯曲问题及板、梁组合问题的有限元法（讲课2学时）角形薄板单元的有限元法、板和梁单元的组合问题、坐标变换。

第六章轴对称问题的有限元法（讲课2学时）

弹性力学轴对称问题的基本方程式、三角形截面形状单元的刚度矩阵、轴对称问题的载荷移置、轴对称问题的有限元解法。

第七章三维实体单元的有限元法（讲课2学时）

四面体单元的刚度矩阵、六面体单元的刚度矩阵以及三维等参数单元。

第八章结构动力学的有限元方法（讲课4学时）

结构系统的动力学方程、单元质量矩阵、单元阻尼矩阵、求解自由振动问题简例。

第九章有限元软件（讲课4学时）

介绍ANSYS有限元软件的使用，包括建模、边界条件处理等。（二）其它教学环节安排

1、必做实验安排4学时。

实验内容有：

①固有频率测试实验（1学时）；

②静态变形测试实验（1学时）；

③上机实验（2学时）；

（三）考试权重

平时成绩占20﹪（听课、作业），实验成绩占10﹪，期末考试成绩占70﹪。

（四）实验项目明细表