工程力学专业有限元教学及其实践的教学改革探索
时间：2020-05-11 07:58:28 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘要：针对社会对工程力学专业人才的教育需求，我们开展了有限元法相关课程的教学研究与实践探索。主要思路为：首先基于矩阵代数、弹性理论方程、虚功原理等理论基础，开展与优化有限元基础理论教学措施，然后按照工程力学学科特点来培养学生在实践教学中利用有限元方法分析实际问题并解决问题的能力。这些措施注重理论联系实际，提高了学生的学习实践能力。
关键词：工程力学专业；有限单元法；教学改革；实践能力
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）48-0113-02
一、引言
本科生教育是高等教育环节的重要组成部分。目前在工程力学专业本科生的培养过程中，社会的需求和目前的培养状况之间的矛盾日益突出。根据部分用人单位的反馈，工程力学毕业生存在的主要问题是创新能力无法跟上实际工程需求，因此，结合高等院校的特色课程进行学生创新能力的培养，是当今社会对目前本科专业教学体系提出的亟待解决的问题[1]。
工程力学专业的目标是培养适应社会主义经济和社会发展需要，在与力学及相关的工业企业、科研设计单位中从事应用研究、新技术开发、工程设计、工程管理的高层次专业技术人才。力学专业不仅十分关注科学技术的发展前沿，成为推动新学科发展的重要力量，而且特别注重解决工程实际问题。力学专业关于人才培养目标的定位是“必须培养出21世纪发展需要的，具备较强创新实践能力的，服务于生产第一线的‘会用、能用、管用’的高等技术应用性、复合性人才”，我们本着以“知识、能力、素质协调发展”为主线，构建“平台—模块”式的培养方案。力学专业培养方案的结构为：在公共基础课平台、专业基础课平台上，设置5个模块，包括爆破力学模块、实验力学模块、计算力学模块、固体力学模块、前沿交叉学科模块。学生根据自己的兴趣选择2～3个模块。本文主要针对计算力学模块中的有限元教学内容开展讨论。
有限元法（Finite Element Method）是一种解决工程和数学物理问题的数值方法，依托有限元方法，计算力学发展为了CAE产业，并成为新领域“计算科学”的核心。有限元法将被研究的对象进行离散、计算，可以适应复杂的区域形状和边界条件，工程应用方便。因此，各大高校均开设了有限元法课程，取得了卓有成效的教学效果[2-4]。工程力学专业学生注重数理基础，在Fortran程序设计、线性代数、弹性力学和数值分析等前提课程条件下，通过有限元法相关课程的学习，初步具备了分析、解决工程实际问题的能力。有限元的内容主要包括有限元方法原理、编程及软件应用。以下将从开展理论教学和实践教学两个方面来探讨教学优化和创新能力培养的措施。
二、理论教学优化
目前工程力学专业有限元法理论课程的一般模式可以概括为：实际问题提出，抽象为专业数学模型，引入有限元理论，设计有限元程序[5]。由于教学时间的限制，将程序设计和有限元理论笼统的一起讲授，学生很难理解有限元法的本质，各门课程如何与有限元法联系起来在他们的头脑中还是个谜团。因此，造成学生的有限元基础不够扎实，无法融会贯通各门课程的知识，如线性代数、弹性力学等，这样将对学生进一步的有限元学习和应用造成重大影响。
为了系统讲授有限元的基本理论，我们使用美国人Logan编写的《有限元法基础教程》中的译本进行初步教学，系统讲授了弹簧、杆、梁、平面、轴对称和三维应力单元的计算原理。在此基础上，讲解了直接刚度法、最小势能原理与伽辽金残余法等。通过由浅入深的讲授，形成了“一维单元与结构—二维单元与结构—三维单元与结构—基本课题—高级课题”的学习主线。学生通过概念清晰、层次分明的学习，使得许多高深的概念变得通俗易懂，并会灵活计算简易结构的应力与应变。然后在基本理论的基础上，引入数学分析软件Maple＼＼Matlab，开展简单算例的程序编写工作。Matlab是20世纪80年代发展起来的，其特点是书写方式接近正常书写，便于教学，整个软件系统是开放型的，可供进一步开发和利用，为编写小程序提供了便利的软件开发工具，以加深学生对理论教学内容的理解。
三、实践创新能力培养
课堂教学往往难以让学生准确地理解，实验虽然直观，但毕竟受限于场地、经费等条件，难以全面地让学生了解所学内容，并且传统的教学或试验很难全面反映材料在变形和破坏过程的应力场、变形场等重要信息，学生无法了解材料内部的一些力学指标及其指标之间的定量关系，对实验无法实现的复杂变形也难以解释和说明，而数值模拟则可以取得较好的效果[6]。一些科研较强的院校的科研人员已将大型有限元软件用于科学研究中，但很少有学校将其应用于教学中。我们将有限元软件应用到本科教学中并对此进行扩充，为的是培养学生的有限元实践创新能力，因此结合工程力学学科的特点，开展了以下工作。
1.实用软件培训。为了模拟材料力学和弹性力学课程中几种结构类型的应力、应变、振动、疲劳、断裂、失效等问题，开设了大型有限元软件ABAQUS、MARC、ANSYS等实践课程。为了解决振动理论课程中的力学问题，将机械动力学软件Adams和数学软件Matlab结合起来研究振动模态的仿真计算方法。另外，有些岩土类课程中提到的本构模型也能较好的跟商用软件中的本构模型对应结合起来，来实现矿山岩土工程力学行为的计算机数值模拟，上述各种结合使得有限元软件学习不再是孤立的个体，而是成为了与其他软件结合的综合学习基础入门。
2.工程实例视频。课堂教学中播放典型工程实例录像，使教学内容结合工程实例增加了学生的学习兴趣，丰富了其实践知识。利用网络搜索引擎，可以搜索到诸多大型商业有限元软件的教学视频。这种屏幕操作视频相较于传统书本教学的优势在于可以直观反映软件界面的变化，克服了传统书本中界面截图的连贯性不够的缺点，学生往往会因为软件弹出窗口在书中无对应说明而失去使用兴趣。万事开头难，有了视频教学，就增进了学生操作成功的成就感和满足感，软件操作成功率的提高，有利于学生进一步的深入学习。
3.教学模型演示。教研室成功设计出电动机模型、爆破模型、金属材料、破坏模型、桥梁模型以及各种机械动力学和运动学模型，这些模型演示清楚，概念直观，使教学更加形象化，促进了学生对工程概念的理解。这其中尤其要说明的是，我们的专业特色之一就是爆炸力学。武汉科技大学工程力学系将爆炸力学、计算力学等学科的理论应用于研究和开发工程爆破技术，形成了“基本理论—爆破机理—测试技术—工艺装备—工程应用”的完整研究体系。我们在微差爆破数值模拟和建（构）筑物拆除爆破数值模拟方面均进行了深入地研究，以此方法解决现场往往很难实现的工程过程的直观再现、现场试验模拟以及灾害的实时监控问题，并取得了重要的研究成果。结合上述学科优势，在爆炸力学方向课程教学中，我们首先利用强大的实验资源建立了诸如台阶爆破、拆除爆破、空气间隔爆破等模型，然后在教学中提供给学生模型参数和爆炸参数，然后利用LS-DYNA计算应力波传播过程。结合与实验结果的对比，增进了学生对爆轰波如何影响岩石破碎度的理解，有助于后续课程的学习，为后续课程打下了计算基础。
4.竞赛、科研与毕业论文方面的应用。在参加学科竞赛、教师科研和学生的毕业论文过程中，鼓励学生使用有限元方法和相关软件。例如在全国周培源力学竞赛的复赛中，可以针对具体结构进行编程技术，而在我系每届的本科毕业论文里，涉及到有限元建模分析的选题包含有混凝土断裂、接触分析、爆炸应力波传播、结构振动模拟以及损伤分析等内容，由此可见有限元能力直接可以用于实际的工程计算。
四、结语
综上所述，有限元理论与实践教学可以遵循“数学力学基础—有限元基础概念—现代有限元软件的使用—解决实际工程问题”的主线思路，将力学、数学、计算机紧密结合，引导学生从教师和书本走向广阔的有限元世界，加强工程力学专业学生的专业基础，强化工程概念，由此激发了他们的创新精神，培养了学生的工程意识和科学研究与工作能力。
参考文献：
[1]国家自然科学基金委员会.中国科学院未来10年中国学科发展战略：力学[M].科学出版社，2007.
[2]鲍四元.本科生《有限元法》课程教学的现状与若干改革研究[J].课程教育研究，2014，（03）：80-81.
[3]白冰，蒋青青，唐礼忠.工科专业“有限单元法及程序设计”课程改革新思路[J].理工高教研究，2009，（05）：136-140.
[4]邱志平，王晓军，祁武超.航空航天结构有限单元法教学探析[J].力学与实践，2009，31（2）：87-89.
[5]谭晓慧，侯晓亮，查甫生.有限单元法课程教学探索[J].教育教学论坛，2014，（41）：185-187.
[6]王小荣，林顺洪，丁剑平，陈小亮.有限元法课程的教学改革探讨[J].重庆科技学院学报（社会科学版），2011，（06）：178-179.
