《有限元基础及应用》课程大纲.docx

1、有限元基础及应用课程教学大纲、课程基本信息英文名称Basic Finite Element Analysis & Application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主讲教师修订日期2021 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（-）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

2、、航 空航天工程、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。（-）课程目标：课程目标1

3、：掌握有限元方法的基本原理，分析过程和步骤，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复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

4、 进行数值模拟和分析。能够了解不同单元的适用范围以及有限元方法数值模拟的局限性。（四）教学方法讲授，上机操作，基于问题（PBL）、案例（CBL）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）刚支架的平面问题分析；（3）联轴器的三维结构分析：（4）转轮的轴对称结构分析；（5）轮子的周期对称结构分析。（二）知识、能力与素质的要求（1）掌握平面单元的平面静力学有限元分析；（2）掌握三维单元的空间静力学有限元分析；（3）掌握环形单元的轴对称静力学有限元分析。（三）重点与难点1 .重

5、点（1）静力结构分析的有限元方法；（2）建立合理的有限元模型。2 .难点（1）力学模型的简化；（2）单元选择及有限元模型建立。（四）教学方法讲授，上机操作，基于问题（PBL）、案例（CBL）方法。（五）教学评价掌握ANSYS有限元软件的结构静力学问题处理方法，并能通过实例掌握结构 静力学的有限元分析。第11章结构动力学分析（一）教学内容（1）结构动力学分析的基本原理及过程；（2）飞机机翼的模态分析：（3）弹簧质量系统的谐响应分析；（4）汽车悬挂系统的振动模态分析。（二）知识、能力与素质的要求（1）掌握频率、振动模态、谐响应和瞬态等基本概念；（2）掌握动力学有限元分析过程；（3）掌握信息的提取及

6、分析。（三）重点与难点1 .重点（1）频率和模态的获取；（2）载荷步与时间步的设置。2 .难点（1）谐响应和瞬态动力学分析；（2）载荷步与时间步的设置与模拟结果的关系。（四）教学方法讲授，上机操作，基于问题（PBL）、案例（CBL）方法。（五）教学评价掌握ANSYS有限元软件的结构动力学问题处理方法，并能通过实例掌握结构 动力学的有限元分析。第12章热分析（一）教学内容（1）传热过程分析的基本原理：（2）ANSYSY热分析的基本过程：（3）供热管道稳态热分析；（4）铸造过程瞬态热分析；（5）焊接缝的金属板热膨胀分析；（二）知识、能力与素质的要求（1）掌握热分析的有限元分析过程；（2）掌握结构的

7、瞬态和稳态热应力分析；（3）了解耦合多物理场问题的有限元分析过程。（三）重点与难点1 .重点（1）热分析的有限元过程；（2）瞬态和穗态热应力分析。2 .难点（1）结构的热应力分析；（2）热机耦合的力学分析。（四）教学方法讲授，上机操作，基于问题（PBL）、案例（CBL）方法。（五）教学评价掌握ANSYS有限元软件的结构热问题处理方法，并能通过实例掌握结构热问 题的有限元分析。第13章车辆结构部件的有限元分析（扩充）（一）教学内容（1）轮对结构的静力学和动力学分析；（2）转向架结构的静力学和动力学分析；（二）知识、能力与素质的要求（1）掌握轮对的简化力学模型及有限元模型：（2）了解转向架的简化力

8、学模型及有限元模型：（三）重点与难点1 .重点（1）力学模型及有限元模型的建立：（2）数据信息的综合分析。2 .难点（1）转向架力学模型的简化；（2）模拟结果的综合分析。（四）教学方法讲授，上机操作，基于问题（PBL）、案例（CBL）方法。（五）教学评价掌握ANSYS有限元软件分析车辆结构较复杂部件问题分析，并能通过实例掌 握车辆零部件结构的综合力学的有限元分析。四、学时分配表2：各章节的具体内容和学时分配表章节章节内容学时分配第1章有限元法简介、弹性力学基础知识5第1章平面问题的有限元法6第3章空间问题和轴对称问题有限元法2第4章等参数单元与数值积分5第5章ANSYS基本操作2第6章实体建模

9、3第7章网格划分与创建有限元模型2第8章施加载荷与求解2第9章后处理2第10章结构线性静力学分析4第11章结构动力学分析4第12章热分析4第13章车辆结构部件的有限元分析4五、本课程开设的实验（上机）项目编号实验项目名称学时类型要求备注1ANSYS有限元软件基本 操作及建模6验证性必做报告2结构静力学分析3设计性必做报告3结构动力学分析3综合性必做报告4传热过程分析3设计性必做报告5车辆结构部件分析3综合性必做报告注：1.类型憎脸证性、综合性、设计性等。2.要求指必依k、选做。实验一：ANSYS有限元软件基本操作及建模1、实验目的1）掌握ANSYS软件的基本操作界面和主要分析过程；2）ANSY

10、S的实体建模操作方法。2、实验主要内容1）熟悉ANSYS软件界面及建模操作方法；2）掌握ANSYS软件进行有限元分析的流程；3）了解ANSYS的前处理模块PRE7,求解模块SOLUTION,后处理模块POST!和POST26的主要功能。3、重难点ANSYS软件进行有限元分析的流程及建模操作方法。实验二：结构静力学分析2、实验目的1）掌握ANSYS软件的结构静力分析，加深对平面单元、立体单元和环形单元的理解 和应用；2）实验数据分析检验单元的有效性和精度。2、实验主要内容1）液压机主牌坊的简化模型分析；2）刚支架的平面问题分析；3）联轴器的三维结构分析；4）转轮的轴对称结构分析。3、重难点有限元

11、模型建立及数据结果的后处理分析。实验三：结构动力学分析1、实验目的1）学会利用ANSYS软件求特征值和模态，加深对结构模态空间的理解和应用;2）学会ANSYS软件对动力响应问题的求解。2、实验主要内容（1）汽车悬挂系统的振动模态分析：（2）飞机机翼的模态分析；（3）弹簧质量系统的谐响应分析。3、重难点（1）特征值与模态的理解和分析；（2）载荷步和时间步的设置。实验四：传热过程的有限元分析1、实验目的1）学会通过ANSYS软件对结构受到热影响下的热应力进行分析的过程；2）推广到应用ANSYS软件对多物理场结构的力学分析。2、实验主要内容1）金属材料凝固瞬态热分析；2）平面板的稳态热分析；3）变温

12、结构热应力分析。3、重难点1）温度场的瞬态分析；2）多物理场耦合问题的综合分析。实验五：车辆结构部件的有限元分析1、实验目的1）针对车辆结构主要部件的静、动力学M题掌握建模、设计、综合分析的方法;2）综合分析数据结果，判断数据的有效性、结构的安全性。2、实验主要内容1）轮对结构的静力学和动力学分析；2）转向架结构的静力学和动力学分析。（选做，课外完成）3、重难点1）有限元模型的建立；2）数据的提取和综合分析。六、教材及参考书目1. 教材：I 王新荣主编.ANSYS有限元基础教程（第3版）.北京：电子工业出版社,2019.2. 参考书：1 曾攀编著.有限元基础教程.高等教育出版社，2（X）9.2

13、1刘国庆，杨庆东.ANSYS工程应用教程（机械篇）.北京：中国铁道出版社，2003.3 商跃进，王红.有限元法原理与ANSYS应用实践.北京：清华大学出版社，2012.4 徐芝伦编著.弹性力学简明教程（第三版）.北京：高等教育出版社，2002.七、教学方法1. 讲授法：授课教师就教学内容进行逐条仔细讲解，将正确的概念、思路传授给学生。2. 讨论法：通过具体的应用或计算，讨论问题的解决思路，培养学生自主解决实际问题的 初步能力。3. 基于问题（PBL）法：通过提问的方式，引导学生通过互相沟通、自学和询问老师等方 式解决练习过程中遇到的实际问题。4. 实验法：通过实验验证，进步加深学习的理论知识，

14、并应用于实际。八、考核方式及评定方法（-）课程考核与课程目标的对应关系表5：课程考核与课程目标的对应关系表课程目标考核要点考核方式课程目标1有限元基本概念及基本知识平时考核、期末考试课程目标2平面问题及空间问题有限元法平时考核、期末考试课程目标3利用ANSYS进行静力学及热问题的 有限元分析平时考核、实验报告、上机考试课程目标4利用ANSYS进行动力学及车辆部件 的有限元分析平时考核、实验报告、上机考试（二）评定方法评定方法（1）课程考核方式包括平时考核（平时作业）、实验报告、期末考试、上机考试,期末考核采用开卷笔试。（2）课程成绩=平时成绩（包括实验）x20%+实验考试成绩40%+期末考试成

15、绩X40%。成绩的具体构成如下表。考核方式考核要求考核 权重支撑的课程目标平时考核各阶段内容结束后完成作业，完成实 验报告，按20%计入课程总成绩。20%1, 2, 3, 4上机考试考核有限元的ANSYS软件掌握程度 以及结构分析应用的数值模拟程度。 上机考试成绩满分为100分。按40% 计入课程总成绩。40%3, 4期末考试试卷题型包括简答题、分析题、论述 题、应用题，期末考试卷面成绩满分 为100分。最终按40%计入总成绩。40%1, 2, 3九、课程目标达成度评价课程目标达成度计算如下表。课程目标对应考核形 式实际评测结果 （学生达到的平均水平）对应总分达成度课程目标1平时考核、 期末考

16、试（平时成绩x20%） /4+期末考 试对应试题平均分X40%20/4+期末考试对应试 题总分x40%达成度=实 际测评结果 /对应总分课程目标2平时考核、 期末考试（平时成绩x20%） /4+期末考 试对应试题平均分x40%20/4+期末考试对应试 题总分x40%达成度=实 际测评结果 /对应总分课程目标3平时考核、 期末考试、 上机考试（平时成绩x20%） /4+期末考 试对应试题平均分x40%+（上 机考试成绩x40%）/220/4+期末考试对应试 题总分x4（）%+上机考 试总分x40%/2达成度=实 际测评结果 /对应总分课程目标4平时、上机 考试（平时成绩x20%） /4+（上机考

17、 试成绩x40%）/220/4+上机考试总分 x40%/2达成度=实 际测评结果 /对应总分附录1上机实验考查内容与评分细则成绩构成考核/评价环节分值考核/评价细则支撑的课程 目标实验内容实验方案的完 整性、整洁性情 况40按时提交实验报告；报告内容完整、 书写整洁、格式规范化。课程目标3, 4实验分析计算过程及结 果完整，对计算 结果误差具有 较完整的分析 与评价60计算过程完整；数值结果合理、符 合实际；数值误差分析合理。课程目标3, 4实验评分标准（每次报告按100分计算）项目优良中及格不及格实验内容（40 分）按时提交实验 报告，格式规 范、内容完整。35-40 分基本按时实验 报告，

18、格式规 范、内容符合 符合要求。30-34 分基本按时提实 验报告，格式 规范、内容有 少量缺失。26-29 分基本按时实 验报告，格式 欠规范、内容 有一些缺失。20-25 分拖延提交实 验报告，格式 不规范、内容 缺失严重。20 分以下实验分析（60 分）报告内容的过 程、结果完整； 计算结果合 理、符合工程 实际；误差分 析正确。52-60 分报告内容的过 程、结果基本 完整；计算结 果基本合理、 符合工程实 际；误差分析 基本正确。46-51 分报告内容的过 程、结果基本 完整：计算结 果基本合理、 符合工程实 际：误差分析 不正确。40-45 分报告内容的 过程、结果基 本完整；计算

19、 结果不合理、 不符合工程 实际：误差分 析不正确。30-39 分报告内容的 过程、结果不 完整；计算结 果不符合工 程实际；没有 误差分析。30 分以下（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、5。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、

20、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：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1.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

21、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

22、难点1. 重点（1）有限元法的基木思想；（2）有限元分析的基本步骤；（3）弹性力学的三类方程。2滩点（1）弹性力学的主要方程内涵；（2）有限元方法的基本原理。（四）教学方法讲授，基于问题（PBL）、案例（CBL）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

23、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1. 重点（1）形函数的构造原理；（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。2. 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（PBL）、案例（CBL）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（

24、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 .重点（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（PBL）、案例（CBL）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

25、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。（三）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 .难点（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（PBL）、案例（CBL）方法。

26、（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 元构造及般限元法的分析过程。第二部分有限元分析的应用第5章 ANSYS基本操作（一）教学内容（1）ANSYS 概述（2）ANSYS基本操作；（3）ANSYS的坐标系；（4）ANSYS有限元分析过程入门。（二）知识、能力与素质的要求（1）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SOLUTION； 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）ANSYS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（PBL）、案例（CBL）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