结构分析中的有限元法课程教学大纲.docx
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结构分析中的有限元法课程教学大纲
课程名称:
结构分析中的有限元法(双语)/Finiteelementmethodinstructuralanalysis
课程代码:
0533101E
课程类型:
复合/选修
总学时数:
32(理论学时:
20,实验或实践学时:
12)
学分:
2.0
先修课程:
线性代数、材料力学、结构力学等
开课单位:
建筑工程学院
适用专业:
土木工程;土木工程国际班
一、课程的性质、目的和任务
《结构分析中的有限元法》是土木工程专业的一门专业课,旨在将结构分析原理与计算机分析方法之间架起一座桥梁,使学生在熟练掌握基本杆件受力变形特点的基础上,进一步学习不同受力结构的单元类型和特点;结合结构力学所学知识,使学生初步具备主动应用计算机解决结构问题的分析能力。
同时为进一步学习后继课程打下基础。
课程的目的是要求学生掌握结构有限元分析中常用单元的特点,理解结构有限元分析的思想和方法,能够使用有限元程序进行简单的结构分析、计算。
课程的学习任务:
1.对有限元的基本概念和基本分析方法有明确的认识。
2.杆单元、梁单元刚度矩阵的建立和特点及杆系结构的有限元分析。
3.结构平面问题有限元分析及其相关理论。
4.有限元分析程序ANSYS的基本使用方法和在土木工程中的应用简介。
二、教学内容、教学基本要求及教学重点与难点
1.介绍有限元法的基本思想、概念和理论
了解有限元法基本理论中的位移函数的选择及其收敛条件,单元刚度矩阵的一般计算公式,及其单元的基本类型和作用、整体平衡方程的一般求解方法;理解有限元分析方法中连续体的离散化,结构的离散化过程中单元类型、单元尺寸、节点位置以及单元数量对离散化模型的影响;掌握离散模型与实际物理模型的区别、有限元分析方法的基本一般过程,包括用虚位移原理建立平面应力单元的刚度矩阵,单元刚度矩阵的物理意义、结构总体刚度矩阵的组装与合成方法及物理意义。
教学重点和难点:
有限元分析基本步骤、建模和分析技巧以及网格划分方法选择。
2.杆单元、梁单元刚度矩阵的建立和特点及杆系结构的有限元分析
了解位移函数的作用,几何方程和物理方程,掌握用最小势能原理建立杆单元、平面直梁单元刚度矩阵的方法;理解单元刚度矩阵元素的物理意义,理解局部坐标系下的刚度矩阵向全局坐标系下刚度矩阵转换的意义,以及结构整体刚度矩阵的形成过程;掌握边界条件的处理方法及简单杆系结构的有限元分析。
重点:
建立计算模型,求出杆单元的刚度矩阵。
难点:
局部坐标系与总体坐标系之间的坐标变换,等效节点荷载。
3.结构分析中弹性力学平面问题的有限元法
了解平面问题的应力-应变关系,常应变三角形单元、四节点矩形单元、等参数单元的位移函数、形函数特点及单元刚度矩阵的建立;理解位移函数的作用,不同平面单元的不同位移函数对计算精度的影响;掌握单元内任意点应变、应力与单元节点位移的关系,单元刚度矩阵的形式,等效节点力的形式。
重点:
常应变三角形板单元、四节点矩形单元刚度矩阵。
难点:
等参数单元的位移函数、形函数特点
4.有限元分析程序ANSYS的基本使用方法和在土木工程中的应用简介
了解ANSYS有限元分析程序的理论背景和功能;理解通用有限源程序与有限元理论的关系;掌握ANSYS求解杆系结构问题的基本步骤,包括单元类型的选择、截面特性和材料属性的设定、结构的单元划分、节点荷载的施加、边界条件的处理等。
重点和难点:
工程结构分析中的单元选取、结构建模、边界条件处理、施加荷载、结果分析。
三、课内实验或实践环节教学安排及要求
一序号
教学内容
教学基本要求
实验类别
课内学时
课外学时
备注
1
ANSYS软件环境
ANSYS软件功能、菜单、窗口及阶梯步骤介绍
验证性
2
2
必做
2
桁架结构静力有限元分析
利用ANSYS软件进行桁架结构有限元建模、求解及结果分析
验证性
2
4
必做
3
梁结构静力有限元分析
利用ANSYS软件进行梁结构有限元建模、求解及结果分析
验证性
4
4
必做
4
平面结构静力有限元分析
利用ANSYS软件进行平面结构有限元建模、求解及结果分析
验证性
4
4
必做
小计
12
14
四、学时分配表
序号
课程内容
课内学时
课外学时
讲课学时
上机学时
实验学时
实践学时
小计
其中课内研讨学时
1
1.Introduction:
Courseinformation,Basic
conceptsofFEM,2.Springelements
2
2
2
2
3.Barelements
2
2
4
3
4.Trussanalysis:
barelementsin2-Dand3-Dspace
2
2
4
4
5.Beamelements
2
2
4
5
6.Frameanalysis
2
2
4
6
7.GeneralStepsofFEM
2
2
4
7
8.PlaneProblemofFEM:
DiscretizeBodyandSelecttheElementType,NaturalCoordinatesforaTriangularElement
2
2
4
8
9.Constantstraintriangleelements(CST)
2
2
4
9
10.six-nodetriangularelements
2
2
4
11.Rectangularelements
10
Ansyspractice1familiarwithAnsys
2
2
4
11
Ansyspractice2fortrussanalysis
2
2
4
12
Ansyspractice3forframeanalysis
2
2
4
13
Ansyspractice4forreview
2
2
4
14
Ansyspractice5forPlanefiniteelement:
Modeling
2
2
4
15
Ansyspractice6forPlanefiniteelement:
Solution
2
2
4
16
ReviewandQuiz
2
2
4
合计
20
12
32
62
五、课外学习要求
为引导学生主动探索、理解与掌握知识,培养运用知识解决问题的能力,提供2~4本参考教材供学生自学。
在各主要章的课后都留有习题作业,教师认真批阅,评出成绩。
教材中未涉及的Ansys软件应用,可作为课外学习内容。
六、教学方法
授课中注重有限元背景理论的介绍及对实际结构工程的简化,辅以教学程序锻炼学生动手解决实际问题的能力,课程中未涉及的有限元编程相关理论,可作为课外学习内容。
在运用Ansys软件分析时,可结合工程案例和结构设计竞赛真题,在案例教学中提高学生分析问题解决问题的能力和实践创新能力。
七、课程考核要求及方法
1.考核方式:
考试();考查(V)
2.成绩评定:
计分制:
百分制();五级分制(√);两级分制()
总评成绩构成:
平时考核(30)%;有限元软件应用(30)%;期末考核(40)%平时成绩构成:
考勤考纪(5)%;作业(10)%;大作业(15)%
八、建议教材及参考资料
建议教材:
th
DarylL.Logan.AFirstCourseinFiniteElementMethod,4ed.,Brooks/Cole,2007.
参考资料:
1.R.R.Liu,S.S.Quek,TheFiniteElementMethod:
APracticalCourse,Butterworth-HeinemannPublications,Burlington,2003
2.O.C.Zienkiewica,R.L.Taylor.TheFiniteElementMethod5thedTheBasisVolume1,清华大学出版社,2008.
3.K.J.Bathe,FiniteElementProceduresinEngineeringAnalysis,EnglewoodCliffs,1996.
4.ErdoganMadenci,IbrahimGuven.TheFiniteElementMethodandApplicationsin
EngineeringUsingANSYS,Springer,2006.
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- 结构 分析 中的 有限元 课程 教学大纲