有限元学科案例教学应用

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摘要有限元是一门比较综合的学科，要掌握该学科的分析思路需要一定的基础。然而现代对工程设计师要求进一步提高，很多工程应用单位缺少结构分析相关人员。基于学生对工程设计软件CAD/CAM的熟练，借鉴CAD/CAM的案例教学经验，将有限元的案例教学引入实践，以基于应用有限元软件如ANSYS，ABAQUS等来指导学生掌握相关技能。同时在教学的过程中，配套简单的理论基础，以学生的兴趣为导向，结合教师科研项目来展开。通过实际案例使得学生能更好地掌握。

关键词有限元分析案例教学茶叶炒干机工程应用

0引言

在实际工程中一些变形以及位移问题可以用材料力学和弹性力学来解，但是当物理模型相对复杂的情况下往往求解过程比较复杂。有限元分析技术则是用较简单的问题代替复杂的问题，然后求解。随着计算机技术的不断发展，有限元分析已经成为了力学学科中一门重要的分支，应用越来越广泛。其分析思路是将求解域看成是由很多称为有限元的小的互相连接的子域组成，对每一单元假定一个近似解，然后求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。然而这个解并不是准确解，而是近似解。由于力学中大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。目前大型通用有限元商业软件有很多：如ANSYS，ABA-QUS等，这些有限元分析软件可以分析多学科的问题如：机械、电磁、热力学等；用有限元法求解问题的基本过程主要包括：对分析对象离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，将模型导入CAE软件进行有限元网格划分，并进行分析计算。

1有限元在工程中的应用

由于有限元模拟可以为实践工程分析提供一定的理论以及分析依据，并且精度较高，所以其应用非常广泛，有限元分析是利用仿真分析的方法来代替真实样品的试验。在汽车设计领域用碰撞的仿真分析来代替真实车辆的碰撞，会变得非常便捷；在机械上的许多产品的加工，如金属板的成型，挤压也可以用有限元进行模拟；在电子工业中为了评估产品的质量，仿真分析代替了真实的跌落实验。在土木工程中，仿真分析也可以应用到施工过程。可以说，有限元已经渗透到工程中的各个领域种类。

2有限元方法的分析思路

有限元法是将一个几何形状进行离散，离散的单元通过节点来进行连接，有限元方法的分析步骤主要包括以下5个方面：（1）建立有限元模型。（2）推导方程的公式。（3）单元的离散方程。（4）求解方程。（5）有限元结果的表达。限于有限元软件的复杂性以及熟悉该软件需要一定的理论基础，因此在很多实际生活领域有限元模拟并没有得到广泛应用。在国外有限元普遍应用于很多医学相关分析领域。中国是茶叶的故乡，是世界上最早发现利用茶叶的国家。浙江是产茶地区，如开化龙顶、龙游方山茶都是浙江名茶。传统的手工制茶劳动强度大、效率低。随着茶叶的发展，茶叶机械相关行业也在相应的发展。茶叶从刚采摘到制成成品需要很多工序，随着工业机械化的发展，这一系列工序也需要相关的机械产品。干锅曲毫炒干机是茶叶机械中比较常见的一种机械，主要用于珠茶的炒制，以二青叶作为原料投入到圆锅中，并把圆锅加热，炒板在圆锅中往返运动来推动茶叶不断翻转。茶叶自身的重力以及茶叶与锅之间的挤压力，以及炒板与茶叶之间摩擦力的作用使得茶叶成型。机械如图1所示。

3有限元模型建立及分析思路

炒干机里面和炒板和曲轴连接的部分是整个机器工作的核心部件，在炒板炒制茶叶的过程中，曲轴带动炒板工作来完成茶叶的炒制过程。因此我们需要了解整个炒制过程中曲轴和炒板的受力特点，在这个问题中我们引用有限元学科以及有限元软件来仿真模拟。对于有限元的理论基础是基于弹性力学以及材料力学来解，对于工程问题有限元软件应用比较广泛。把该工程问题简化成模型进一步来分析选取所需要的轴件的大小。炒干机三维模型可以通过solidworks建立，通过导入CAE软件进一步分析，模型简化。材料及属性：材料特征，线弹性材料和塑形材料都可以在有限元中进行定义；包括材料密度，弹性模量以及泊松比都可以在相应的CAE软件中进行定义。网格化分：根据不同的结构特征，可以划分实体单元以及壳单元。载荷以及约束条件：在炒干机炒制过程中，轴做一个径向旋转的运动，其他方向的自由度是固定的；带动炒板运动来实现茶叶的炒制。计算结果：通过模型的简化仿真出炒板以及轴上的应力分布以及载荷分布，进一步来根据炒制不同载荷的茶叶选取合适大小的轴，进而对实践起到一定的指导作用。

4结束语

随着社会对人才的要求越来越高，高校教育逐渐从理论化向实践化转变，将知识应用于实践是当下发展的趋势。基于案例化的教学模式使得学生通过简单直观的方式来掌握复杂的问题，既可以使得学生对工程问题有直观的认识，同时也使得学生更好地掌握专业知识。通过结合学生兴趣，教师科研的方式使得学生对专业知识的认识有了一定的高度。同时采用小班化的教学模式，使得学生积极参与讨论与分析。使得感兴趣的学生掌握一定的工程分析问题。对实际工程问题的理解达到一定的高度。

参考文献

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作者：郑丽文 单位 ：衢州职业技术学院