2021级-《有限元基础及应用》课程大纲（姚林泉）-新版.docx

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1、有限元基础及应用课程教学大纲一、课程基本信息英文名称BasicFiniteE1ementAna1ysis&App1ication课程代码VEEN2325课程性质专业选修课程授课对象车辆工程学分2.0学时45主讲教师姚林泉、沈铃修订日期2023年6月25指定教材曾攀编著.有限元基础教程.北京：高等教育出版社，2009.二、课程目标（一）总体目标:有限元法是求解复杂工程问题进行数值模拟非常有效的方法，是现代数字化科技的一种重要基础性原理。将它应用于科学研究中，可以成为探究物质客观规律的先进手段；将它应用于工程技术中，可成为工程设计和分析的可靠工具。有限元法已经成为机械工程、车辆工程、航空航天工程、

2、土木建筑等专业的必修课或选修课，有限元商用软件也是广大工程技术人员从事产品开发、设计、分析，以及生产服务的重要工具。通过本课程的学习使同学们掌握有限元分析方法的基础知识和原理；掌握大型有限元分析软件（ANSYS）的使用；有限元方法的实际应用：能够针对具有复杂几何形状的变形体完整获取复杂外力作用下它内部准确力学信息，在准确进行力学分析的基础上，可以对所研究对象进行强度、刚度等方面的判断，以便对研究结构进行静态、动态的强度和刚度分析、参数设计以及结构优化设计。内容由浅入深，通俗易懂，结合实践应用分析，培养学生理论联系实际和解决实际问题的能力。（二）课程目标：课程目标1：掌握有限元方法的基本原理，分

3、析过程和步骤，形函数的构造方法，以及针对不同维度、不同结构准确选择合适的单元的技巧；课程目标2：掌握有限元分析方法，具有对不同工程问题建立相应力学模型再选取适合的有限元模型离散，最后得到高精度低成本的数值模拟结果；课程目标3：利用有限元原理和应用软件（ANSYS）,能够针对车辆结构中具有发杂几何形状的零部件完整获取复杂外力作用下其内部的准确力学信息（位移、应力和应变），并能根据强度、刚度、稳定性及疲劳等进行分析判断结构的安全性，具有分析和解决工程实际问题的能力；课程目标4：掌握大型商用有限元软件（ANSYS）对车辆结构部件的静力学、动力学和多物理场耦合问题进行数值模拟和分析。能够了解不同单元的

4、适用范围以及有限元方法数值模拟的局限性。(三)课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系本课程支撑专业培养计划中毕业要求1、2、3、5o毕业要求1.工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决车辆工程领域的复杂工程问题。毕业要求2.问题分析：能够应用数学、自然科学和车辆工程的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析车辆工程领域的复杂工程问题，以获得有效结论。毕业要求3.设计/开发解决方案：能够设计针对车辆工程领域复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元、部件或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。毕业要求5.使用现代工具

5、：能够针对车辆工程领域复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。表1：课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表课程目标对应课程内容对应毕业要求课程目标1(1)有限元法简介；(2)弹性力学基础知识；(3)平面问题的有限元法。毕业要求I.课程目标2(1)空间问题和轴对称问题有限元法；(2)等参数单元与数值积分毕业要求2.课程目标3(1)ANSYS有限元软件基本操作、实体建模及有限元分析基本过程；(2)静力结构的有限元分析(3)热过程的有限元分析毕业要求3.课程目标4(1)结构动力学的有限元分析(2)车辆结构部件的

6、有限元分析。毕业要求5.三、教学内容第一部分有限元分析的基本理论第1章有限元法简介（一）教学内容（1）有限元法的产生和发展；（2）有限元法的基本步骤、误差和特点；（3）有限元法应用；（4）弹性力学基本知识。（二）知识、能力与素质的要求（1）了解有限元法的作用和基本内容；（2） 了解有限元法的发展及其在车辆结构中的应用；（3） 了解有限元软件的发展和特点；（4）掌握有限元分析问题的思想和主要步骤；（5） 了解弹性力学的基本方程，掌握平面问题的基本方程以及力学模型。（三）重点与难点1 .重点（1）有限元法的基本思想；（2）有限元分析的基本步骤；（3）弹性力学的三类方程。2 .难点（1）弹性力学的主

7、要方程内涵；（2）有限元方法的基本原理。（四）教学方法讲授，基于问题（PB1）.案例（CB1）方法。（五）教学评价掌握相关的有限元方法的基本思想，并理解弹性力学的基本知识。第2章平面问题的有限元法（一）教学内容（1）结构的离散化；（2）有限元法解题过程：单元分析、单元等效节点力、整体分析、边界条件处理等；（3）矩形单元。（二）知识、能力与素质的要求（1）掌握有限单元的划分原则；（2）掌握三角形单元和矩形单元形函数构造方法；（3）掌握单元刚度矩阵的构造方法；（4）掌握组装总刚度矩阵的方法；（5）掌握边界条件的处理方法；（6）掌握有限元分析的具体步骤。（三）重点与难点3 .重点（1）形函数的构造原

8、理；（2）形成单元刚度矩阵的方法；（3）整体总刚度矩阵的组成；（4）几何边界条件的引入；（5）后处理的过程及方法。4 .难点（1）单元形函数的构造方法；（2）总刚度矩阵的组成。（四）教学方法讲授，基于问题（PB1）.案例（CB1）方法。（五）教学评价掌握平面问题有限元的基本概念及构造，并能掌握平面问题有限元法的分析过程。第3章空间问题和轴对称问题有限元法（一）教学内容（1）空调问题大的特点；（2）四面体单元解一般空间问题（3）轴对称问题有限元法。（二）知识、能力与素质的要求（1）掌握空间问题4节点四面体单元的构造方法；（2）掌握轴对称3节点三角形环形单元、4节点矩形环形单元的构造方法；（3）掌

9、握空间问题有限元的求解方法；（4）掌握轴对称问题的特点及有限元求解方法。（三）重点与难点（1） 点（1） 4节点四面体单元的形函数构造；（2）三角形环形单元和矩形环形单元的构造；（3）空间问题及轴对称问题单元刚度矩阵的构造及特点。2.难点（1）单元位移函数构造；（2）单元刚度矩阵的构造；（3）轴对称问题的简化。（四）教学方法讲授，基于问题（PB1）.案例（CB1）方法。（五）教学评价掌握空间单元和轴对称环单元法的构造，并能掌握空间问题有限元法的分析过程。第4章等参数单元与数值积分（一）教学内容（1）等参单元的基本概念；（2）平面八节点四边形等参单元；（3）空间二十节点六面体等参单元；（4）高斯

10、求积法；（二）知识、能力与素质的要求（1）掌握有限元分析方法的标准化分析过程；（2） 了解参数单元的原理和GaUSS数值积分；（3）掌握高阶单元形函数的构造方法；（4）掌握单元刚度矩阵的构造方法。（）重点与难点1重点（1）等参单元形函数与刚度矩阵的构造方法；（2）有限元分析方法的标准化分析过程；（3）高斯求积法；（3）高阶单元的形函数的构建方法。（2） 点（1）等参单元的构造方法；（2）高阶单元的形函数的构建。（四）教学方法讲授，基于问题（PB1）.案例（CB1）方法。（五）教学评价掌握等参数单元的基本概念、形函数的构造及高斯积分方法，并能掌握高阶单元构造及一般限元法的分析过程。第二部分有限元

11、分析的应用第5章ANSYS基本操作（一）教学内容（3） ）ANSYS概述（4） ANSYS基本操作；（5） ANSYS的坐标系；（6） ANSYS有限元分析过程入门。（二）知识、能力与素质的要求（7） 掌握ANSYS软件的界面结构和分析流程；（2）了解ANSYS的各模块的功能（前处理模块PRE7；求解模块SO1UTION；后处理模块POST1和PoST26）。（3）掌握总体坐标系，局部坐标系、工作平面和激活坐标系（三）重点与难点1 .重点（1） ANSYS软件的界面结构和分析流程；（2）总体坐标系，局部坐标系、工作平面和激活坐标系；（3）数据的后处理、图像输出及分析。2 .难点（1） ANSY

12、S软件的界面结构和分析流程；（2） ANSYS的各模块的功能。（四）教学方法讲授，上机操作，基于问题（PB1）.案例（CB1）方法。（五）教学评价掌握ANSYS有限元软件的界面及框架，并能掌握软件的基本功能操作。第6章实体建模（一）教学内容（1）实体建模概述；（2）创建基本几何对象；（4）布尔运算：（5）拖拉；（6）编辑功能。（二）知识、能力与素质的要求（1）掌握ANSYS软件的实体建模的基本操作；（2）能创建基本几何对象；（3）能对对象进行编辑等操作。（三）重点与难点1 .重点（1）实体建模方法；（2）布尔运算及编辑。2 .难点（1）几何对象的合并；（2）复杂实体的建模。（四）教学方法讲授，

13、上机操作，基于问题（PB1）.案例（CB1）方法。（五）教学评价掌握ANSYS有限元软件实体建模,并能建立简单问题的模型用于有限元分析。第7章网格划分与创建有限元模型（一）教学内容（1）创建有限元模型概述（2）定义单元属性；（3）直接法创建有限元模型实例；（4）网格划分控制。（二）知识、能力与素质的要求（1）掌握有限元模型的创建过程；（2）掌握单元属性的定义；（3）掌握网格划分控制。（三）重点与难点1.重点（1）有限元模型的创建过程；（2）单元属性的定义。2.难点（1）网格划分控制；（四）教学方法讲授，上机操作，基于问题（PB1）、案例（CB1）方法。（五）教学评价掌握ANSYS有限元软件的网

14、格划分与单元属性的定义,并能创建有限元模型。第8章施加载荷与求解（一）教学内容（1）施加载荷与求解概述（2）载荷的施加；（3）求解。（二）知识、能力与素质的要求（1）掌握载荷和约束的施加；（2）掌握载荷步与载荷子步;（3）掌握求解器的选择。（三）重点与难点1重点（1）载荷和约束的施加途径和过程；2.难点（1）特殊载荷的施加；（2）载荷步与载荷子步。（四）教学方法讲授，上机操作，基于问题（PB1）.案例（CB1）方法。（五）教学评价掌握ANSYS有限元软件载荷和约束条件的施加，并能掌握载荷步与载荷子步和求解。第9章后处理（一）教学内容（1）后处理概述（2）通用后处理概述；（3）时间历程后处理技术。（二）知识、能力与素质的要求（1）掌握通用后处理的一般步骤及菜单系统；（2）掌握选择结果文件与结果数据；（3）掌握图像显示结果；（4） 了解时间历程的后处理技术。（三）重点与难点1 .重点（1）图像显示；（2）结果输出方式控制。2 .难点（1）结果输出方式控制；（2）变量的操作。（四）教学方法讲授，上机操作，基于问题（PB1）.案例（CB1）方法。（五）教学评价掌握ANSYS有限元软件后处理力学信息提取，并能掌握数据和和图形输出。第10章结构线性静力分析（一）教学内容（1）静力学分析的基本过程及步骤；（2）