《有限元理论与分析》教学大纲

《有限元理论与分析》教学大纲大纲说明课程代码：5135030总学时：40学时（讲课32学时，上机8学时）总学分：2.5课程类别：专业模块选修课适用专业：机械设计制造及其自动化专业预修要求：高等数学、理论力学、材料力学、计算机程序语言与设计一、课程的性质、目的、任务：本课程是机械及其制造专业限定选修的一门专业基础课。本课程的教学目的，是使学生在理论力学和材料力学等课程的基础上进一步掌握弹性力学的基本概念、基本原理和基本方法，了解弹性体简单的计算方法和有关解答，提高分析与计算的能力，为学习有关专业课程打下初步的弹性力学基础。二、课程教学的基本要求：本课程教学环节主要包括：课堂讲授、习题课、作业、课后辅导答疑、用计算机程序上机计算、考试。课堂教学用弹性力学教学课件，重点章节安排习题课，有和教材配套的学习辅导书。课后布置一定量的习题，以理解所学概念、理论，掌握分析解决弹性力学问题的方法。考试用弹性力学课程题库里的考试题，考试根据学生素质采用闭卷、半开卷、开卷方式。三、大纲的使用说明：本大纲适用于机械及其制造本科专业40课时的《有限元理论与分析》课程.大纲正文第一章绪论学时：2学时（讲课2学时）本章讲授要点：了解弹性力学的内容，理解体力、面力、应力、应变和位移的基本概念，熟悉记号和符号的有关规定，理解弹性力学的基本假定。重点：弹性力学中的几个基本概念；难点：应力、应变的概念；应力、应变记号和符号的有关规定。第一节弹性力学的内容第二节弹性力学中的几个基本概念第三节弹性力学中的基本假定第二章平面问题的基本理论学时：7学时（讲课7学时）本章讲授要点：掌握平面应力问题和平面应变问题的特点，掌握平面问题的基本方程，了解按位移和按应力求解平面问题的基本思路和步骤。能正确写出边界条件，能正确理解和应用圣维南原理。重点：1、平面应力问题和平面应变问题的特点；2、平面问题的基本方程；3、按位移和按应力求解平面问题的基本思路和步骤；难点：平面问题的基本方程；按位移和按应力求解平面问题的基本思路和步骤。第一节平面应力问题与平面应变问题第二节平衡微分方程第三节平面问题中的一点的应力状态第四节几何方程刚体位移第五节物理方程第六节边界条件圣维南原理第七节按位移求解平面问题第八节按应力求解平面问题相容方程第九节常体力情况下的简化应力函数第三章平面问题的直角坐标解答学时：5学时(讲课5学时)本章讲授要点：通过实例，了解平面问题逆解法和半逆解法的基本思路；重点：1、逆解法和半逆解法；2、形梁的纯弯曲；简支梁受均布荷载；楔形体受重力和液体压力。难点：简支梁受均布荷载；楔形体受重力和液体压力。第一节逆解法和半逆解法多项式解答第二节矩形梁的纯弯曲第三节位移分量的求出第四节简支梁受均布荷载第五节楔形体受重力和液体压力第四章平面问题的极坐标解答学时：6学时(讲课6学时)本章讲授要点：理解极坐标系中的平衡微分方程、几何方程和物理方程。了解极坐标系中的应力函数和相容方程。了解轴对称问题的特点。了解圆环或圆筒受均布压力、圆孔的孔边应力集中、半平面体受边界力问题的求解思路。重点：1、极坐标系中的平衡微分方程、几何方程和物理方程。2、轴对称问题；圆环或圆筒受均布压力。3、半平面体受边界力问题难点：极坐标系中的平衡微分方程、几何方程和物理方程。第一节极坐标系中的平衡微分方程第二节极坐标系中几何方程和物理方程第三节极坐标系中的应力函数和相容方程第四节应力分量的坐标变换式第五节轴对称应力和相应的位移第六节圆环或圆筒受均布压力第七节圆孔的孔边应力集中第八节半平面体在边界上受集中力第九节半平面体在边界上受分布力第五章用有限单元法解平面问题学时：16学时(讲课8学时，上机8学时)本章讲授要点：理解基本量和基本方程的矩阵表示。掌握有限单元法的基本概念。了解位移模式和解答的收敛性。了解应力矩阵、劲度矩阵和荷载列阵；理解结构的整体分析。理解有限单元法的计算步骤、会用有限单元法的计算程序解平面问题。了解单元划分的原则和计算结果的整理。重点：1、基本量和基本方程的矩阵表示。2、有限单元法的基本概念。3、应力矩阵、劲度矩阵和荷载列阵。4、结构的整体分析。5、有限单元法的计算步骤。6、有限单元法计算程序的使用。难点：有限单元法的基本概念；应力矩阵、劲度矩阵和荷载列阵；结构的整体分析；结构的整体分析；有限单元法计算程序的使用。第一节基本量和基本方程的矩阵表示第二节有限单元法的基本概念第三节位移模式与解答的收敛性第四节应力转换矩阵和劲度矩阵第五节荷载向结点的移置荷载列阵第六节结构的整体分析第七节解题的具体步骤单元的划分第八节计算结果的整理第九节计算实例第六章空间问题的基本理论及解答学时：4学时(讲课4学时)本章讲授要点：了解空间问题的平衡微分方程、几何方程、物理方程和边界条件。了解空间轴对称问题的基本方程。通过实例，了解按位移、按应力求解空间问题的思路。重点：1、空间问题的平衡微分方程、几何方程、物理方程和边界条件。2、空间轴对称问题的基本方程。3、按位移、按应力求解空间问题的思路。难点：空间问题的平衡微分方程、几何方程、物理方程和边界条件。第一节平衡微分方程第二节几何方程及物理方程第三节轴对称问题的基本方程第四节按位移求解空间问题第五节半空间体受重力及均布压力第六节半空间体在边界上受法向集中力第七节按应力求解空间问题第八节等界面直杆的扭转本课程对学生自学的要求：本课程由于课时较紧，课堂上不可能讲得非常详细，因而需要学生加强课外自学，建议自学时间与课堂教学时间大致相等。课时分配表：序号内容课时讲课上机合计1第一章绪论222第二章平面问题的基本理论773第三章平面问题的直角坐标解答554第四章平面问题的极坐标解答665第五章用有限单元法解平面问题88166第六章空间问题的基本理论及解答44合计32840考核方式与要求：期终考试一次。成绩评定采用考试成绩与平时成绩相结合的办法，考试成绩占70％，平时成绩占30％。推荐教材与参考书目：《弹性力学简明教程》徐芝纶主编（第三版），高等教育出版社《弹性力学简明教程学习指导》徐芝纶主编，高等教育出版社《弹性力学》扬桂通主编，高等教育出版社《弹性力学学习方法及解题指导》王俊民编著，同济大学出版社《有限元理论与分析》实验大纲一、总则1、本大纲的适用范围：1）本大纲相关课程名称及课程属性：本大纲的相关课程为机械设计制造及其自动化工程本科专业的《有限元理论与分析》；该课程是该专业的一门重要的专业限选课。2）本大纲的适用范围：本大纲适用于机械设计制造及其自动化工程专业四年制本科专业的《有限元理论与分析》课程。3）实验总学时：8学时/生2、本大纲的实验目的和要求：上机实验是有限元理论与分析的重要组成部分，可以使学生对这门课程的有限元概念、理论知识、有限元程序及其操作增强感性的认识，初步掌握利用大型结构有限元分析程序进行简单桁架内力计算、刚架内力计算和平面问题应力应变分析中结构模型、有限元模型、结果处理等的方法。3、本上机实验的重点和内容：1）熟悉结构有限元程序ANSYS的组成及操作界面；2）桁架内力计算与分析；3）刚架内力计算与分析；4）悬臂深梁应力分析；4、本大纲的所需实验设备：计算机每人一台、大型结构有限元分析程序（ANSYS）等。二、实验项目及学时安排：1．实验项目一ANSYS大型结构有限元分析1）实验类型：综合性实验2）实验开设属性：必开实验3）学时：2学时4）实验目的：a、熟悉ANSYS程序的操作界面；b、问题选择、单元选择、实参数填写、材料参数填写等方面的规定和要求。c、几何模型的建立；d、有限元模型的建立；e、位移边界条件的施加；f、各种力的施加；g、计算结果输出控制信息的添加；h、求解；I、计算结果的后处理；5）实验要求了解大型结构有限元分析程序的组成；初步掌握几何模型的建立、有限元模型的建立、位移边界条件的施加、各种力的施加、计算结果输出控制信息的添加、求解、计算结果的后处理等。2．实验项目二桁架内力计算与分析1）实验类型：综合性实验2）实验开设属性：必开实验3）学时：2学时4）实验目的：桁架有限元模型的建立、材料参数的输入、截面实参数的输入、位移边界条件的引入、节点载荷的输入、计算、计算结果的处理与显示。5）实验要求要求学生掌握桁架有限元模型的建立、材料参数的输入、截面实参数的输入、位移边界条件的引入、节点载荷的输入、计算、计算结果的处理与显示的方法和应注意的事项。3．实验项目三刚架内力计算与分析1）实验类型：综合性实验2）实验开设属性：必开实验3）学时：2学时4）实验目的：刚架有限元模型的建立、材料参数的输入、截面实参数的输入、位移边界条件的引入、节点载荷的输入、计算、计算结果的处理与显示。5）实验要求要求学生掌握刚架有限元模型的建立、材料参数的输入、截面实参数的输入、位移边界条件的引入、节点载荷的输入、计算、计算结果的处理与显示的方法和应注意的事项。4．实验项目四悬臂深梁内力分析1）实验类型：综合性实验2）实验开设属性：必开实验3）学时：2学时4）实验目的：悬臂梁有限元模型的建立、材料参数的输入、位移边界条件的引入、节点载荷的输入、计算、计算结果的处理与显示。5）实验要求要求学生掌握悬臂梁有限元模型的建立、材料参数的输入位移边界条件的引入、节点载荷的输入、计算、计算结果的处理与显示的方法和应注意的事项。