有限元學科案例教學應(yīng)用
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摘要有限元是一門比較綜合的學科，要掌握該學科的分析思路需要一定的基礎(chǔ)。然而現(xiàn)代對工程設(shè)計師要求進一步提高，很多工程應(yīng)用單位缺少結(jié)構(gòu)分析相關(guān)人員。基于學生對工程設(shè)計軟件CAD/CAM的熟練，借鑒CAD/CAM的案例教學經(jīng)驗，將有限元的案例教學引入實踐，以基于應(yīng)用有限元軟件如ANSYS，ABAQUS等來指導(dǎo)學生掌握相關(guān)技能。同時在教學的過程中，配套簡單的理論基礎(chǔ)，以學生的興趣為導(dǎo)向，結(jié)合教師科研項目來展開。通過實際案例使得學生能更好地掌握。
關(guān)鍵詞有限元分析案例教學茶葉炒干機工程應(yīng)用
0引言
在實際工程中一些變形以及位移問題可以用材料力學和彈性力學來解，但是當物理模型相對復(fù)雜的情況下往往求解過程比較復(fù)雜。有限元分析技術(shù)則是用較簡單的問題代替復(fù)雜的問題，然后求解。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元分析已經(jīng)成為了力學學科中一門重要的分支，應(yīng)用越來越廣泛。其分析思路是將求解域看成是由很多稱為有限元的小的互相連接的子域組成，對每一單元假定一個近似解，然后求解這個域總的滿足條件，從而得到問題的解。然而這個解并不是準確解，而是近似解。由于力學中大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。目前大型通用有限元商業(yè)軟件有很多：如ANSYS，ABA-QUS等，這些有限元分析軟件可以分析多學科的問題如：機械、電磁、熱力學等；用有限元法求解問題的基本過程主要包括：對分析對象離散化、有限元求解、計算結(jié)果的后處理三部分。由當今有限元分析軟件的一個發(fā)展趨勢是與通用CAD軟件的集成使用，用CAD軟件完成部件和零件的造型設(shè)計后，將模型導(dǎo)入CAE軟件進行有限元網(wǎng)格劃分，并進行分析計算。
1有限元在工程中的應(yīng)用
由于有限元模擬可以為實踐工程分析提供一定的理論以及分析依據(jù)，并且精度較高，所以其應(yīng)用非常廣泛，有限元分析是利用仿真分析的方法來代替真實樣品的試驗。在汽車設(shè)計領(lǐng)域用碰撞的仿真分析來代替真實車輛的碰撞，會變得非常便捷；在機械上的許多產(chǎn)品的加工，如金屬板的成型，擠壓也可以用有限元進行模擬；在電子工業(yè)中為了評估產(chǎn)品的質(zhì)量，仿真分析代替了真實的跌落實驗。在土木工程中，仿真分析也可以應(yīng)用到施工過程?？梢哉f，有限元已經(jīng)滲透到工程中的各個領(lǐng)域種類。
2有限元方法的分析思路
有限元法是將一個幾何形狀進行離散，離散的單元通過節(jié)點來進行連接，有限元方法的分析步驟主要包括以下5個方面：（1）建立有限元模型。（2）推導(dǎo)方程的公式。（3）單元的離散方程。（4）求解方程。（5）有限元結(jié)果的表達。限于有限元軟件的復(fù)雜性以及熟悉該軟件需要一定的理論基礎(chǔ)，因此在很多實際生活領(lǐng)域有限元模擬并沒有得到廣泛應(yīng)用。在國外有限元普遍應(yīng)用于很多醫(yī)學相關(guān)分析領(lǐng)域。中國是茶葉的故鄉(xiāng)，是世界上最早發(fā)現(xiàn)利用茶葉的國家。浙江是產(chǎn)茶地區(qū)，如開化龍頂、龍游方山茶都是浙江名茶。傳統(tǒng)的手工制茶勞動強度大、效率低。隨著茶葉的發(fā)展，茶葉機械相關(guān)行業(yè)也在相應(yīng)的發(fā)展。茶葉從剛采摘到制成成品需要很多工序，隨著工業(yè)機械化的發(fā)展，這一系列工序也需要相關(guān)的機械產(chǎn)品。干鍋曲毫炒干機是茶葉機械中比較常見的一種機械，主要用于珠茶的炒制，以二青葉作為原料投入到圓鍋中，并把圓鍋加熱，炒板在圓鍋中往返運動來推動茶葉不斷翻轉(zhuǎn)。茶葉自身的重力以及茶葉與鍋之間的擠壓力，以及炒板與茶葉之間摩擦力的作用使得茶葉成型。機械如圖1所示。
3有限元模型建立及分析思路
炒干機里面和炒板和曲軸連接的部分是整個機器工作的核心部件，在炒板炒制茶葉的過程中，曲軸帶動炒板工作來完成茶葉的炒制過程。因此我們需要了解整個炒制過程中曲軸和炒板的受力特點，在這個問題中我們引用有限元學科以及有限元軟件來仿真模擬。對于有限元的理論基礎(chǔ)是基于彈性力學以及材料力學來解，對于工程問題有限元軟件應(yīng)用比較廣泛。把該工程問題簡化成模型進一步來分析選取所需要的軸件的大小。炒干機三維模型可以通過solidworks建立，通過導(dǎo)入CAE軟件進一步分析，模型簡化。材料及屬性：材料特征，線彈性材料和塑形材料都可以在有限元中進行定義；包括材料密度，彈性模量以及泊松比都可以在相應(yīng)的CAE軟件中進行定義。網(wǎng)格化分：根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特征，可以劃分實體單元以及殼單元。載荷以及約束條件：在炒干機炒制過程中，軸做一個徑向旋轉(zhuǎn)的運動，其他方向的自由度是固定的；帶動炒板運動來實現(xiàn)茶葉的炒制。計算結(jié)果：通過模型的簡化仿真出炒板以及軸上的應(yīng)力分布以及載荷分布，進一步來根據(jù)炒制不同載荷的茶葉選取合適大小的軸，進而對實踐起到一定的指導(dǎo)作用。
4結(jié)束語
隨著社會對人才的要求越來越高，高校教育逐漸從理論化向?qū)嵺`化轉(zhuǎn)變，將知識應(yīng)用于實踐是當下發(fā)展的趨勢。基于案例化的教學模式使得學生通過簡單直觀的方式來掌握復(fù)雜的問題，既可以使得學生對工程問題有直觀的認識，同時也使得學生更好地掌握專業(yè)知識。通過結(jié)合學生興趣，教師科研的方式使得學生對專業(yè)知識的認識有了一定的高度。同時采用小班化的教學模式，使得學生積極參與討論與分析。使得感興趣的學生掌握一定的工程分析問題。對實際工程問題的理解達到一定的高度。
參考文獻
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作者：鄭麗文 單位 ：衢州職業(yè)技術(shù)學院