基于有限元法的现代设计理论与方法教学理论与实践

刘文莲 桑运春

[摘 要] 根据机械设计制造及其自动化专业选修课——现代设计理论与方法课程存在“重理论、轻实践”的问题，根据应用型本科教学目标和社会对有限元的人才的需求，对该课程的教学内容、教学方法和考核方式进行改革。实践证明，案例式的教学不仅使课程与实际工程紧密结合，增强了课程的实践性，还大大提高了学习兴趣，拓展了学生思维，为培养综合性人才打下基础。

[关 键 词] 有限元法；现代设计理论与方法；教学改革

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）31-0138-01

现代设计理论与方法课程是机械设计制造及其自动化本科专业的一门专业选修课，是随着当代科学技术和计算机技术的迅猛发展而在设计领域发展起来的一门多元交叉学科，是在设计产品为对象时，采用先进的计算机技术，运用工程设计的新理论和新方法，不断提高设计质量和缩短设计周期的一门集成的新兴学科。现代设计理论与方法可能的教学内容一般包括设计方法学、优化设计、可靠性设计、有限元法、机械动态设计等多种现代设计方法。

一、现代设计理论与方法教学现状与存在的问题

目前高等学校开展的现代设计理论与方法课程大多存在如下问题：

（一）课程理论性强，缺乏实践性，学生学习兴趣不高

课程内容涉及数学、力学和计算机多个方面，教学内容复杂抽象，在有限的课时内很难进行系统讲授，同时对学生的数学、力学和计算机都有很高的要求。从以往的教学来看，学生普遍感觉教学内容理论性太强，缺乏学习兴趣，教学效果大打折扣。因而课程的实用性不强，学生学习兴趣不高，课程没有达到应有的教学效果。

（二）课程教学内容与不能适应社会对应用型人才的需求

随着近年来计算机技术的不断发展，计算机与工程实践相结合不断形成新兴的交叉学科，是近年来工程发展的一个先进方向。在现代机械产品设计和制造中，用有限元法对产品性能进行全面分析和仿真，可以在产品样机实现以前对产品性能进行全面预测和优化，因而在机械产品开发中应用越来越广泛。目前，我国高校及职业院校的有限元课程处在起步階段，培养的具备有限元工程分析能力的技术人才还相对匮乏，因而要将有限元法作为本课程的主要方法，教学内容更加符合当今快速发展的社会需求。

二、课程教学改革措施与实践

根据目前本课程普遍存在的教学问题，结合本校多年的教学实际，对该课程进行如下几个方面的教学改革：

（一）教学内容改革

为了适应学科的发展和社会对应用型人才的需求，本课程将基于ANSYS软件有限元法的内容作为课程的主要授课内容。

有限元法是以离散为中心的高效数值技术。随着计算机技术的高速发展，有限元法在工程分析领域得到越来越广泛的应用。ANSYS软件是一种大型通用有限元分析软件，具有结构、流体、电场、磁场、声场等多个分析模块，并具有强大的接口程序，能与多数计算机辅助设计软件进行数据的共享和交换。因而在机械制造、航空航天、汽车交通、国防军工、电子、土木工程多个领域有着广泛的应用。目前，国内有100多所理工院校采用ANSYS作为有限元分析或标准教学软件。本课程内容结合机械设计制造及其自动化专业的特点，以有限元的结构分析为主，包括静力学分析、动力学分析、谱分析、谐响应分析等，还涉及热分析和热电分析等耦合分析。

（二）采用案例法教学，与工程实例相结合

有限元的内容晦涩难懂，采用案例法教学可以将抽象的有限元知识以实例、图表、图形等方式直观表达出来。学生更容易接受。比如，为了区分线性静力分析的平面应力、平面应变问题，分别用带圆孔的薄板问题和天然气管道的实例进行对比讲解，分别进行建模求解，用图片、图表、动画等形式进行结果对比，增加学生的直观印象，促进学生对工程概念的理解。

另外，课堂上课时还结合一些工程案例，如动车的车钩的静力学分析和接触分析、轴承的疲劳分析等，课程与工程实例相结合，大大提高了学生学习的兴趣，拓展了学生的思维。

（三）考核方式采用大作业，每人一题

课程总评成绩由出勤20%、平时作业20%和大作业60%组成。大作业为每人一题，学生根据课堂上学习的知识，结合科研课题、平时的大赛训练和网上查阅相关资料确定自己的课题，在教师的指导下进行材料确定、工况分析、模型建立、网格划分、施加载荷和结果评价等一系列过程。教师采用课堂答辩的形式，对学生的作业进行评价。实践证明，大多数学生对这种方式容易接受，作业比较认真，涌现出一些比较经典的案例，如凸轮的运动分析、壳单元的疲劳寿命分析等，增强了学生的工程实践能力。

三、小结

本文通过阐述现代设计理论与方法课程教学现状和存在的问题，结合本校多年的教学实际，对课程的教学内容、教学方法和考核方式提出改革方案并进行不断实践，使课程与时俱进，更符合培养应用型人才的教学目标。

参考文献：

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[2]齐杏林，单体强，范志锋，等.ANSYS有限元仿真在机械电子学课程教学中的应用[J]，科教导刊，2016（1）：124-125.

[3]铁瑛，李成，赵华东.教研结合模式下的机械类专业有限元课程研究[J].科技教育创新，2010（14）：242-243.

◎编辑 武慧慧