浅谈有限元法在机械设计方向中的教学实践

刘丛丛

摘 要：随着改革的深入，更多教学思想被提出，更多的教学方法被应用。在高校教育改革中，对于课程改革的探索，更多的是结合专业特点提出并引进了一些具有针对性的方法，有限元法就是针对机械设计的一种运用方法。本文就分析有限元法在机械设计方向中的教学实践，在机械设计中开设“有限元法”，提高教学质量。

关键词：有限元法，机械设计，教学实践

引言：现代化发展的标志是智能化和信息化、智慧化，这也成为了各行业发展的共同目标。就机械方面，机械装备也逐渐的向着大型化、集成化的方向发展，因此对于机械装备结构的分析和强度计算提出了更高的要求。如果还是按照传统的力学分析显然无法满足生产需求。需要进一步的探究新技术和方法，随着计算机技术的使用，将有限元法理论引入到了机械领域，在机械设计教学中也开始开设有限元法课程，在此基础上加强教学改革创新。

1. 有限元法

有限元法是求解偏微分方程问题的一种数值方法，而一般空间和时间相关问题的物理定律通常用偏微分方程描述。有限元法是最近似求解一般连续场问题的数值方法，具有其特点：物理概念清晰、复杂结构适应性、各种物理问题的实用性，以及适合计算机实现的高效性。对于有限元法，是从未知量的角度有限元法分为三类：位移法、力法和混合法，

有限元法可以模拟各种几何形状复杂的结构，得出近似解，并且解题的步骤可以实现系统化和标准化，开发出灵活通用的计算机程序，广泛的运用于各种场合。除此之外，还有从其他CAD软件中导入创建好的模型，數学处理比较方便，对复杂结构的形状也比较适用。所以，针对机械设备的现代化发展，传统的力学分析无法满足，而有限元法刚好弥补其不足[1]。

2.有限元法在机械设计方向中的教学实践

2.1 有限元法的课程设计

有限元法在机械专业课程设计中，需要注意两个方面：

一是以人为本的教学理念，关注学生的需求和学习兴趣，有限元法课程实践成功的关键就是学生的学习兴趣和参与性。所以在课程开设中，要以学生的学习兴趣和求知欲作为基础。一般针对机械工程的问题求解，是一个循环的过程，针对工程问题，构建物理模型、数学模型，实现求解，得出得出物理解。可以根据这一求解过程，引出有限元法，使学生可以通过理解形成一定的观念，可以知道所有工程问题最终化解成多元高阶微分方程，但是并不是所有的数学方程都都解析，数值解也能够表示参数的物理含义。通过一定的导入激发学生的学习兴趣，对有限元法有了进一步的了解，掌握有限元法基本原理的基础上，真正理解有限元法的本质，并且可以利用软件系统解决实际问题，获得计算结果[2]。

而是帮助学生构建原有经验，针对有限元法课程，需要一步一步的构建原有经验。比如在开课的初期，可以先通过介绍一些工程的应用背景知识，针对机械设计中的一些具体部件，比如机械的主要零件有许多是回转体，受到的载荷是轴对称，结合一些具体的零件进行说明。这里版主学生构建原有经验，简单来讲，就是通过案例分析，加深学生对课程的认识，明确该课程对于机械设计的重要性，形成一种原有学习经验。

2.2 教学设计中重视学生的学习特点

一方面是结合学生的学习特点，对教材进行扩展。高校的教师，对于课程教学拥有更多的自主权，可以参考多种教材，可以根据实际情况对教材进行开发，对知识进行一个延伸和扩展。 随着有限元法理论在教学中的实践，机械设计教学内容也在不断的更新这就需要教师针对学生的需特点，实现对教材的开发和拓展。比如针对有限元法的分析，其过程为：

在具体的课程教学中，程序编写和软件分析师有限元法课程的重要组成内容。首先是程序编写部分，就需要先给出二维平面应力、平面桁架以及三维空间单元等一些通用程序，学生通过学习掌握框架图和程序设计的方法与技巧，采用软件进行上机程序，可以有效的增强学生的学习积极性和解决实际问题的能力。然后是引入有限元软件，比较分析。有限元软件比较常见的有ABAQUS、ANSYS、MSC，就比如ABAQUS有限元软件，是一种大型有限元软件，广泛模拟形成，具有杰出的非线性分析能力。该有限元软件是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一，在机械、工程等领域得到了广泛的应用，不仅可以进行结构的静态分析，还可以实现动态分析，具有丰富的单元模式，可以模拟广泛的材料性能，也是有限元法课程中的运用软件[3]。在实际的教学中，将该软件用于教学演示和上机编程联系的结果比较程序，可以增强学生的学习兴趣和求职欲望。

而是在教学中要以学生为中心，创新教学方法，如小组协作方法。在教学过程中，可以采用小组协作的教学方法，提高学习效果。根据课程内容，将学生分为几个小组，通过合作完成学习任务。这样的教学方式更加符合大学学生的学习需求，更好的完成学习任务。比如以小组为单位，利用相同的软件，采用不同的单位或者网格数量进行计算，对计算的结果进行讨论分析，确定其有效性。这样的方式有利于学生对有限元法相关知识的掌握和理解，并且不断的完善和进步，提高了教学效果。

2.3有限元法的教学实践

理论性的学习目的是更好的运用到实践，如果不能运用到实践，就会变成惰性知识。所以对于有限元法课程教学，也需要结合实际，让有限元法可以在机械设计中运用，在教学中可以结合学生的时机发展，采用一些案例加强训练和学习，提高学生的实践能力。但是需要注意的是目前市场上的有限元软件不能有效解决一些实际问题，还需要进行二次开发。因此需要学生掌握一些应用的变成语言或者软件，需要学生在业余的时间加强训练和学习，吧理论知识运用到实践，提高学生的实践能力，可以运用有限元法解决机械设计中的一些实际问题。

加强实践教学，可以鼓励学生自行组织研究，学校和教室提供机会和平台，锻炼学生实践能力的同时，还能激发学生的求知欲，促进学生对有限元法的研究。此外，还可以让学生参与到教师的科研项目中，学生和教师共同研究，实现学生的实践教学。最后，把有限元法的实践运用纳入到毕业设计中，毕业设计是对学生所学知识的综合运用能力训练，在毕业设计中，提出有限元法的课程知识和软件运用，培养学生的实践能力。

3.结束语

本文探究有限元法在机械设计方向中的教学实践，通过对有限元法的分析，对于在机械设计中有限元法课程的开发，从课程设计、教学模式、实践教学三个方面进行探析。本文对于有限元法课程教学的研究还比较基础和简单，其实际的课程开发，还需要结合机械设计的特点，不断在探索优化，提高有限元法课程效率，让学生可以把有限元法实践运用到机械设计中。

参考文献：

[1]郭伟.有限元法在机械设计中的应用[J].科技资讯，2019，17（12）：73-74.

[2]钱善华，刘利国，倪自丰.有限元法在机械设计方向中的教学实践[J].无锡职业技术学院学报，2013，12（03）：22-24+34.

[3]程联社，杨中平，冯战勤.有限元法在机械设计中的应用[J].杨凌职业技术学院学报，2009，8（03）：40-42.