《计算机在橡胶工程中的应用》教学大纲

1、计算机在橡胶工程中的应用教学大纲 课程编号：B03040820 课程名称：计算机在橡胶工程中的应用英文名称：Application of computer in rubber engineering课程性质： 专业选修学时/学分：32/2考核方式：课程设计和平时成绩选用教材：计算机在橡胶工程中的应用讲义，青岛科技大学。先修课程：工程力学、高分子材料流变学、橡胶制品设计与工艺、橡胶工艺学后继课程：橡胶工程课程设计适用专业及层次：高分子材料与工程（橡胶）专业，本科一、课程目标通过本课程系统讲述计算机在橡胶工程中应用方面的理论知识，使学生具备下列能力： 1. 能够运用CAD软件进行橡胶制品的设计，如

2、轮胎，培养运用现代化工具进行设计的能力；2. 能够准确理解有限元方法中涉及的基本概念，原理，求解方法，对复杂工程问题进行适当的数学表述；3. 能够运用所学的有限元理论知识，进行简单橡胶制品的分析计算，提高学生解决实际工程问题和综合分析问题的能力，培养工程创新能力；4.能够利用讲述的有关有限元软件的知识，了解有限元软件在橡胶工程中的应用，能够掌握专业的计算机软件，针对高分子材料及其制品的结构和性能进行预测和模拟；5.了解综合运用现代设计手段：CAD/CAE进行橡胶成型过程中的模拟分析；了解有限元方法的前沿发展动向，综合性地运用现代手段来解决材料科学中的复杂工程问题。二、课程目标与毕业要求的对应关

3、系毕业要求指标点课程目标1.工程知识1-1能对工程数据进行统计分析，对复杂工程问题进行适当的数学表述，并能选择一种数学模型描述复杂工程问题的规律。课程目标1课程目标21-2具有从事高分子材料工程工作所需的化学、热力学和动力学等自然科学知识。课程目标2课程目标31-5熟悉并掌握高分子材料的加工原理、工艺、设备与配方知识，综合性地运用来解决材料科学中的复杂工程问题。课程目标3课程目标42.问题分析2-2能够通过对复杂的高分子材料与工程问题进行预测、评估，正确表达复杂工程问题。课程目标2课程目标3课程目标43.设计/开发解决方案3-2能够针对高分子材料应用的特定需求，进行相关设计优化，同时体现创新意

4、识，构建完整的解决方案。课程目标1课程目标55.使用现代工具5-3能够掌握专业的计算机软件，针对高分子材料及其制品的结构和性能进行预测和模拟，并理解其适用范围。课程目标5三、教学基本内容第一章：绪论 （支撑课程目标1、4、5）一、有限元在橡胶工程中的应用概述二、轮胎结构设计方法进展第二章：工程力学概述 （支撑课程目标2、3、4）一、工程力学中的基本概念1. 应力与应变2. 橡胶超弹性本构关系3. 橡胶本构模型参数的确定与相关试验设计二、材料强度理论与破坏准则1. 最大应力理论2. 最大应变理论3. 基于应变能密度的理论要求学生：掌握工程力学中的基本概念；了解橡胶材料的强度理论与破坏准则。第三章

5、：有限元方法概述（支撑课程目标2、3、4）第一节 有限元方法的基本概念第二节 有限元方法的原理一、位移法二、能量原理第三节 有限元法的求解步骤一、单元离散、分析和单元刚度矩阵1. 几何模型建立与单元分析2. 单元类型与位移模式3. 单元刚度矩阵4. 本构关系与弹性矩阵二、整体分析和整体刚度矩阵1. 边界条件和初始条件2. 等效载荷3. 整体刚度矩阵4. 整体刚度矩阵的特点三、矩阵求解方法简介1. 大型稀疏矩阵的存储方法2. 常用的矩阵求解方法第四节 常用有限元软件介绍一、MSC.MARC软件二、ABAQUS软件要求学生：掌握有限元概念和原理，有限元的求解步骤；了解利用商业化软件进行简单橡胶产品

6、结构分析的步骤和方法。第四章：典型橡胶制品结构的有限元分析（支撑课程目标3、4、5）第一节 轮胎有限元分析1. 轮胎有限元分析简介2. 几何非线性3. 材料非线性4. 接触非线性5. 轮胎几何模型建立6. 轮胎材料模型建立7. 初、边值条件8. 数值计算参数设定与求解第二节 橡胶减振件和密封件有限元分析1. 橡胶减振件的有限元分析2. 橡胶密封件的有限元分析要求学生：掌握轮胎有限元涉及的非线性问题，如何解决。了解橡胶减震器等复合材料结构的分析过程。第五章：橡胶成型过程数值方法（支撑课程目标2、5）1. 聚合物流变学方程2. 控制方程的离散方法3. 数值求解方法要求学生：掌握橡胶成型加工中涉及的

7、控制方程；了解控制方程的离散方法和求解方法。第六章：典型橡胶成型加工分析（支撑课程目标2、4、5）1. 橡胶挤出胀大仿真分析2. 橡胶混炼过程仿真分析3. 橡胶注射成型仿真分析要求学生：掌握有限元在橡胶成型加工中的应用领域，合理选取软件；了解成型模拟分析中涉及的特殊边界问题。第七章：AutoCAD简介与轮胎外轮廓设计 （支撑课程目标1、5）1. AutoCAD简介与常用命令2. 轮胎外轮廓绘制上机练习，能够进行简单橡胶制品的CAE建模分析。四、教学重点与难点第一章：绪论 （支撑课程目标1、4、5）教学重点：计算机在橡胶工程中的应用领域、意义 教学难点：现在设计手段CAD/CAE如何在橡胶工程中

8、应用？ 第二章：工程力学概述（支撑课程目标2、3、4）教学重点：应力和应变的概念，几何方程，橡胶本构方程，橡胶材料强度理论与破坏准则教学难点：如何获取橡胶本构模型的材料参数？第三章：有限元方法概述（支撑课程目标2、3、4） 教学重点：有限元概念及其原理，有限元方法的求解步骤教学难点：有限元中的单元刚度矩阵，整体刚度矩阵，形函数的几何意义第四章：典型橡胶制品结构的有限元分析（支撑课程目标3、4、5） 教学重点：轮胎有限元分析的难点，如何根据轮胎分布图建立合理的网格模型？如何施加轮胎材料的参数？教学难点：轮胎有限元分析时，模型的合理等效，初始、边界条件的施加，接触参数的确定第五章：橡胶成型过程数值

9、模拟方法（支撑课程目标2、5） 教学重点：聚合物流变学方程的意义，如何进行控制方程的离散？教学难点：数值求解方法有哪些，如何应用？第六章：典型橡胶成型加工分析（支撑课程目标2、4、5） 教学重点：橡胶成型加工中涉及的粘弹性理论教学难点：如何处理橡胶挤出、混炼和注射成型中的自由面问题？第七章：AutoCAD简介与轮胎外轮廓设计 （支撑课程目标1、5） 教学重点：AutoCAD中的常用命令教学难点：轮胎外轮廓中各种圆弧的绘制五、教学建议进度（学时数32）第一章 绪论 （学时数 2）第二章 工程力学概述 （学时数 2）第三章 有限元方法概述 （学时数8）第四章 典型橡胶制品结构的有限元分析 （学时数

10、6）第五章 橡胶成型过程数值模拟方法 （学时数2）第六章 典型橡胶成型加工分析 （学时数2）第七章 AutoCAD简介与轮胎外轮廓设计 （学时数2）上机练习 （学时数8）课内外时间比例为 1：11.5六、教学方法1.多媒体教学与板书相结合2.典型应用实例讲解3.国内参考教材为主，国外专著补充4.教学与科研相结合5.上机练习,课外指导七、考核方式课程设计，课外作业八、成绩评定方法 课程设计占80%，课外作业20%九、教学参考书1. 复合材料力学沈观林, 胡更开 编著，清华大学出版社，2006 2. Computational Materials Science，Dierk Raabe，Wiley & Son,19983. Mechanics of Composite Materials Autar K. Kaw，CRC Press，2006.4. 有限元分析的概念与应用第四版，(R.D.库克)，关正西，强洪夫 译. 西安交通大学出版社,2007.5. 有限元分析及其应用，曾攀. 清华大学出版社，2004.6.