基于土木工程专业的有限元分析课程的教学改革探讨.pdfVIP

基于土木工程专业的有限元分析课程的

教学改革探讨

摘要：基于土木工程专业的有限元分析课程需要结合工程实际，要求学生

在学习基本理论的基础之上，还要掌握软件的建模计算；因此，在教学的过程中

需要注意理论和实际建模的结合、教学内容的合理设置、教学方式方法的改进等

等，以此来提高教学质量，同时培养学生的创新思维，使学生养成独立思考的习

惯，并初步具备处理工程问题的能力。

关键词：土木工程，有限元，教学方式，综合能力

有限元分析课程需要从数学力学基础、计算机软件、工程应用几个方面开展

教学工作，使学生从较高层次(数力原理)上理解有限元方法的实质，掌握有限元

分析的工具，并具备初步处理工程问题的能力。

一、该门课程教学中的常见问题

该门课程需要结合工程实际，在学习有限元基本理论的基础之上，还需熟悉

和掌握一到两个有限元分析软件，来对实际的工程结构进行建模计算。而有限元

软件的教学又分为几何建模、单元划分、约束处理、外载处理、参数设定、计算

设定以及结果分析等环节。因此，该门课程的教学内容多，理论和软件相结合的

教学难度较大，在传统的课程教学中主要的做法是将教学内容分为两个部分：一

个是有限元的基本理论，二是基于有限元软件平台的建模计算。结合实际的教学

情况，主要有以下几个问题值得探讨：

（1）首先是教材的选用问题，合适的有限元教材难选，同时由于有限元理

论本身的基础知识部分，需要有一定的弹性力学和数学基础，如何有选择性的把

较为抽象的力学和数学部分逐步引入并联系、过渡到有限元部分，是一个不易把

握的方面；在教学过程中，学生对于做为基础的力学和数学部分的兴趣也不浓，

因此选用合适的参考书籍尤为重要。

（2）其次是要考虑到有限元知识领域的进步与软件的更新换代，前述的几

本参考书籍有的编写年份较早，对于有限元分析的基本原理部分的学习是合适的，

毕竟基本原理不会有太大变化，但基于基本原理而来的软件平台则不停的在更新

换代，以著名的大型通用有限元软件ANSYS为例,在最初几代的时候，只有经典

界面，其建模和后处理都较为专业，不太适合工程上的应用和推广，在后期为适

应工程应用的需求，又开发了适合工程人员操作的workbench界面，其适合不同

材料和结构需求的单元类型也在不断更新，必威体育精装版的ANSYS版本已经有2022版；

其他的软件平台都有类似的情况，都在不停的更新换代。因此，在学好基本理论

的同时，也应注意软件的更新。但也应该看到，软件的更新不会是颠覆性的，而

是在原有框架的基础之上不断修改和完善，不停适应新的变化，因此，在已经掌

握一门软件的情况下，随软件版本的更新而更新自己对软件的操作和了解是不难

的。

（3）再次是两者的结合问题。有限元光有理论而不重应用是不切实际的，

有限元这种方法的诞生很早，在上世纪60、70年代就已经有了，但真正得到大

量的推广并深入到工程领域的各个方面则是和计算机的发展结合起来的，没有计

算机，手动计算复杂结构是不现实和极其低效的；同样，只会建模计算而不理解

基本原理也会使得有限元的运用受到限制，同时对于建模基础理解不深，也会影

响对于有限元分析的误差判断、复杂结构的准确模拟等。因此，在有限元分析的

课程学习中，需要重视理论和软件应用的结合。

二、教学方法改革的探讨

对于以上的几个问题，可有针对性的进行探讨。

（1）合理选择教材并设置教学内容。关于学习教材的问题，首先可考虑选

择经典教材，这对于系统学习有限元的基本原理很重要，比如清华大学曾攀老师

的《有限元分析及应用》、王勖成的《有限单元法》、朱伯芳《有限单元法原理

与应用》等，从知识层次上来说都很有系统性和合理性，是对于有限元分析的基

本理论部分进行系统学习较好的参考书籍。同时需要根据本专业的特点，合理定

位课程的教学大纲和教学目标，理论深度适宜，必要的力学和数学基础要掌握，

但对于和有限元计算关系不大的部分不宜涉及过多，同时考虑课时的情况，可合

理调配理论和软件实践教学内容的比例。

（2）手算和电算的结合。有限元分析的价值在于其在工程中的运用，使用

有限元软件可以对复杂的工程结构问题进行数值求解。因此，有限元分析的课程

应该具有很强的实践性，通过有限元分析的实例，可以把抽象的理论和实践教学

结合起来，相互促进，提高教学质量和学生吸收的效果。对于实例，其实可以从

简单的开始，比如在讲杆系有限元和板壳单元有限元的手算时，可考虑用有限元

软件建模计算，并和手算结果相对比，两相印