有限元學(xué)科案例教學(xué)應(yīng)用
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摘要有限元是一門比較綜合的學(xué)科，要掌握該學(xué)科的分析思路需要一定的基礎(chǔ)。然而現(xiàn)代對(duì)工程設(shè)計(jì)師要求進(jìn)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?；趯W(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)軟件CAD/CAM的熟練，借鑒CAD/CAM的案例教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，將有限元的案例教學(xué)引入實(shí)踐，以基于應(yīng)用有限元軟件如ANSYS，ABAQUS等來(lái)指導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)技能。同時(shí)在教學(xué)的過(guò)程中，配套簡(jiǎn)單的理論基礎(chǔ)，以學(xué)生的興趣為導(dǎo)向，結(jié)合教師科研項(xiàng)目來(lái)展開(kāi)。通過(guò)實(shí)際案例使得學(xué)生能更好地掌握。
關(guān)鍵詞有限元分析案例教學(xué)茶葉炒干機(jī)工程應(yīng)用
0引言
在實(shí)際工程中一些變形以及位移問(wèn)題可以用材料力學(xué)和彈性力學(xué)來(lái)解，但是當(dāng)物理模型相對(duì)復(fù)雜的情況下往往求解過(guò)程比較復(fù)雜。有限元分析技術(shù)則是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜的問(wèn)題，然后求解。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元分析已經(jīng)成為了力學(xué)學(xué)科中一門重要的分支，應(yīng)用越來(lái)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(duì)每一單元假定一個(gè)近似解，然后求解這個(gè)域總的滿足條件，從而得到問(wèn)題的解。然而這個(gè)解并不是準(zhǔn)確解，而是近似解。由于力學(xué)中大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)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(xué)科的問(wèn)題如：機(jī)械、電磁、熱力學(xué)等；用有限元法求解問(wèn)題的基本過(guò)程主要包括：對(duì)分析對(duì)象離散化、有限元求解、計(jì)算結(jié)果的后處理三部分。由當(dāng)今有限元分析軟件的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)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(jì)后，將模型導(dǎo)入CAE軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行分析計(jì)算。
1有限元在工程中的應(yīng)用
由于有限元模擬可以為實(shí)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(lái)代替真實(shí)樣品的試驗(yàn)。在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域用碰撞的仿真分析來(lái)代替真實(shí)車輛的碰撞，會(huì)變得非常便捷；在機(jī)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(jìn)行模擬；在電子工業(yè)中為了評(píng)估產(chǎn)品的質(zhì)量，仿真分析代替了真實(shí)的跌落實(shí)驗(yàn)。在土木工程中，仿真分析也可以應(yīng)用到施工過(guò)程?？梢哉f(shuō)，有限元已經(jīng)滲透到工程中的各個(gè)領(lǐng)域種類。
2有限元方法的分析思路
有限元法是將一個(gè)幾何形狀進(jìn)行離散，離散的單元通過(guò)節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行連接，有限元方法的分析步驟主要包括以下5個(gè)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(dá)。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(shí)際生活領(lǐng)域有限元模擬并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。在國(guó)外有限元普遍應(yīng)用于很多醫(yī)學(xué)相關(guān)分析領(lǐng)域。中國(guó)是茶葉的故鄉(xiāng)，是世界上最早發(fā)現(xiàn)利用茶葉的國(guó)家。浙江是產(chǎn)茶地區(qū)，如開(kāi)化龍頂、龍游方山茶都是浙江名茶。傳統(tǒng)的手工制茶勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。隨著茶葉的發(fā)展，茶葉機(jī)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(jī)械化的發(fā)展，這一系列工序也需要相關(guān)的機(jī)械產(chǎn)品。干鍋曲毫炒干機(jī)是茶葉機(jī)械中比較常見(jiàn)的一種機(jī)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(yùn)動(dòng)來(lái)推動(dòng)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(jī)械如圖1所示。
3有限元模型建立及分析思路
炒干機(jī)里面和炒板和曲軸連接的部分是整個(gè)機(jī)器工作的核心部件，在炒板炒制茶葉的過(guò)程中，曲軸帶動(dòng)炒板工作來(lái)完成茶葉的炒制過(guò)程。因此我們需要了解整個(gè)炒制過(guò)程中曲軸和炒板的受力特點(diǎn)，在這個(gè)問(wèn)題中我們引用有限元學(xué)科以及有限元軟件來(lái)仿真模擬。對(duì)于有限元的理論基礎(chǔ)是基于彈性力學(xué)以及材料力學(xué)來(lái)解，對(duì)于工程問(wèn)題有限元軟件應(yīng)用比較廣泛。把該工程問(wèn)題簡(jiǎn)化成模型進(jìn)一步來(lái)分析選取所需要的軸件的大小。炒干機(jī)三維模型可以通過(guò)solidworks建立，通過(guò)導(dǎo)入CAE軟件進(jìn)一步分析，模型簡(jiǎn)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(jìn)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(jìn)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(shí)體單元以及殼單元。載荷以及約束條件：在炒干機(jī)炒制過(guò)程中，軸做一個(gè)徑向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，其他方向的自由度是固定的；帶動(dòng)炒板運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)茶葉的炒制。計(jì)算結(jié)果：通過(guò)模型的簡(jiǎn)化仿真出炒板以及軸上的應(yīng)力分布以及載荷分布，進(jìn)一步來(lái)根據(jù)炒制不同載荷的茶葉選取合適大小的軸，進(jìn)而對(duì)實(shí)踐起到一定的指導(dǎo)作用。
4結(jié)束語(yǔ)
隨著社會(huì)對(duì)人才的要求越來(lái)越高，高校教育逐漸從理論化向?qū)嵺`化轉(zhuǎn)變，將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐是當(dāng)下發(fā)展的趨勢(shì)。基于案例化的教學(xué)模式使得學(xué)生通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的方式來(lái)掌握復(fù)雜的問(wèn)題，既可以使得學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題有直觀的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也使得學(xué)生更好地掌握專業(yè)知識(shí)。通過(guò)結(jié)合學(xué)生興趣，教師科研的方式使得學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)有了一定的高度。同時(shí)采用小班化的教學(xué)模式，使得學(xué)生積極參與討論與分析。使得感興趣的學(xué)生掌握一定的工程分析問(wèn)題。對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的理解達(dá)到一定的高度。
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作者：鄭麗文 單位 ：衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院