有限元及工程软件课程思政探索及实践

有限元及工程软件是力学及相关专业重要的研究生专业核心课之一,已成为工程设计分析和科学研究中物理过程建模的重要计算工具。在课堂教学过程中加强课程思政,是高校提高人才培养质量的有效途径,对培养具有很强专业素质的“四有”新人具有重要意义。为加强有限元及工程软件的课程思政教学,根据课程内容及特点分析课程思政的必要性,确定课程思政目标,给出课程思政内容的教学设计,使课程内容与课程思政元素有机融合,同时探讨课程思政的教学实践方案,可为专业课程的课程思政教学提供借鉴。

基于有限元自主仿真软件的教学创新研究

随着数字化建设的不断推进,计算机辅助工程(Computer Aided Engineering, CAE)在各领域的应用也愈发广泛,将CAE仿真技术引入课堂,以数字化教学模式培养新时代具有创新能力的复合型人才已经成为教育发展的必然趋势。国外商用有限元仿真软件存在操作烦琐,无仿真基础学生一时难以上手等问题。国产自主开发的有限元仿真软件配有众多应用接口,凭借其操作简单、功能完善等优势脱颖而出,为CAE仿真与课堂教学的结合注入全新的活力。

基于有限元软件的相变调温面料设计与模拟

相变调温面料是将相变材料与纺织工艺相结合形成的一种可以自动调节温度的纺织品,同时利用有限元技术可以改变传统的设计生产模式。通过有限元软件对相变调温面料的设计流程模拟预测调温面料的调温效果。首先利用AI平面设计软件对图案进行设计,然后通过SolidWorks拉伸操作将其转化为三维模型导入有限元软件中进行模拟仿真分析。同时利用有限元软件模拟不同相变区域面积、不同厚度、不同环境温度下的相变调温面料的调温功能,达到在降低成本的同时为设计人员提供新的设计思路与优化流程的目的。

基于Python语言和Abaqus软件的轮胎有限元分析结果自动后处理插件的研发

基于Abaqus软件的Python语言二次开发功能,采用录制并修改宏文件的方法,开发了一款轮胎有限元仿真分析结果自动后处理插件,用户只需选择要处理的Odb文件,按照需求指定输出数据,单击OK按钮,数据即自动保存到指定的文件夹中。所开发插件与Abaqus软件无缝连接,用户使用Abaqus软件对轮胎模型仿真分析得到Odb文件后,可直接在Plug-ins菜单下选用插件对数据结果进行整理,实现有限元分析结果的自动后处理,减少了数据提取和整理工作量,缩短了后处理时间,极大地提高了仿真分析效率。本研究成果可推广应用于其他有限元模型仿真结果的自动后处理。

基于有限元的工程力学模拟仿真实验辅助教学

本文旨在探索有限元软件在工程力学教学中的进一步应用,通过模拟仿真各种基本变形的过程以及生活和工程实际中与力学密切相关的例子,既弥补了实验教学的不足,又提高了课堂教学效果。这不仅补充了力学课程的授课内容,增强了学生对力学变形的感性认识,更有利于学生深入地理解和掌握所学的理论知识,同时还提高了学生发现问题并且主动解决问题的能力。

应用Mimics和HyperMesh软件建立人体下颌骨三维有限元模型

目的:探讨一种快速、精确的正常人下颌骨三维有限元建模方法。方法:对1名牙列完整、咬合关系正常的男性志愿者进行颌骨螺旋CT扫描,将获取的Dicom格式数据在Mimics 10.01软件中进行完整下颌骨3D重建,将所得的下颌骨三维几何模型转换成iges格式后,导入HyperMesh软件中完成网格划分及对材料属性进行赋值,最后导入ABAQUS 6.9对模型边界约束条件进行限制,生成完整下颌骨的三维有限元模型。结果:快速地建立了更加精确的人体完整下颌骨的三维有限元模型。联合运用HyperMesh软件和Mimics软件对下颌骨进行建模,大大提高了建模的速度以及模型的质量。结论:应用Mimics和HyperMesh软件可以快速、精确的建立人体下颌骨的三维有限元模型,为进一步的生物力学分析打下基础。

综合应用UG,HyperMesh和MSC Marc软件进行有限元分析

针对在工程中只应用某一软件完成有限元分析的过程复杂、效率不高的问题,根据UG,HyperMesh和MSC Marc软件的特点,综合运用其长处完成从几何建模、网格划分、分析计算到结果处理的整个过程.实例表明,综合运用各有限元分析软件,有利于发挥每种软件的优点,可以大大提高有限元分析的效率.

基于MSC.Patran的变速箱输出轴有限元分析

随着汽车行业的发展,对汽车变速箱的性能与质量要求越来越高。传统的试验方法仅能提供有限的数据,不能全面反映汽车变速箱的性能与疲劳寿命。因此,有限元分析作为一种有效的模拟分析方法,受到了越来越多的关注和重视。基于MSC.Patran软件对汽车变速箱输出轴进行有限元分析,通过建立变速箱输出轴的有限元模型,探讨疲劳设计思路,预测变速箱在工作过程中的应力分布和疲劳寿命,提出提高疲劳强度的措施,以期为汽车变速箱的设计和制造提供参考。

脊髓残余应力的有限元研究

目的残余应力广泛存在于血管,大脑和肠道等生物组织内且残余应力的相关研究对于解释相关组织疾病的发病原因和制定治疗方案具有重要意义。目前有大量关于残余应力计算的研究,但通过有限元软件来计算残余应力的相关研究较少。本文以大鼠脊髓张角实验采集的数据为基础,重建大鼠脊髓灰质和白质模型,在有限元软件中计算大鼠脊髓灰质和白质的残余应力。方法采集大鼠脊髓灰质和白质的切片图像,利用Photoshop软件处理大鼠脊髓切片图像,在Solid Works软件中重建大鼠脊髓白质和灰质切片模型,导入ANSYS软件中计算大鼠脊髓灰质和白质的残余应力。结果(1)大鼠脊髓灰质和白质的残余应力作用相反,脊髓灰质处于周向拉伸状态,脊髓白质则处于周向压缩状态;(2)大鼠脊髓灰质的残余应力为287.02~813.2 Pa,白质的残余应力为460.51~1713.6 Pa。结论本研究基于大鼠脊髓张角实验数据,使用有限元软件分别计算大鼠脊髓白质和灰质的残余应力,有助于更好地认识脊髓残余应力,也为脊髓残余应力计算的进一步研究和探究脊髓残余应力与相关脊髓疾病发病机制和治疗方案提供了重要的参考。

农业机械设计中有限元分析软件的应用研究

有限元法是一种求解复杂工程结构非常有效的数值方法,应用于现代机械工程领域,能够解决大量的设计与分析问题。将有限元分析软件应用到农业机械设计中,具有非常强的实用性。笔者以“农业机械设计中有限元分析软件的应用研究”为题,分析了我国农业机械设计现状,从有限元法的基本思想、基本步骤对农业机械的结构进行动态分析,并剖析了相关应用案例。研究结果表明,农业机械设计中应用有限元分析软件,可以减少产品试验成本,能够优化机械性能,缩短产品研发时间,农机设计的结构尺寸更合理,验证了有限元分析的科学性和可利用性。

应用有限元商业软件提高《材料力学》课程教学效果的教改实践与探索

新工科教育正在全国高校如火如荼进行,以加快我国从工程教育大国走向工程教育强国的快速转变。在新工科背景下,培养学生运用力学基本知识解决实际工程力学问题的能力变得尤为重要。作为最重要的工科专业基础课《材料力学》课程,力学概念多、公式推导过程繁杂。为解决这一教学挑战问题,北京石油化工学院力学教学小组坚持以学生为中心的OBE教学思想,开展了基于有限元商业软件驱动《材料力学》教学效果的教学实践活动,从翻转课堂、大学生创新研究训练计划UT项目、本科生学科竞赛与实践,以及本科毕业设计论文等几个环节,实践论证了该教学思想驱动下的教学成果,大幅提高了本校学生对《材料力学》课程的学习兴趣与热情,锻炼了学生的力学建模能力和分析能力,培养了学生解决复杂工程力学问题的实际能力。本文提出的基于有限元商业软件驱使的《材料力学》课程教改实践有助于全面提高学生的创新能力和终身学习能力,形成高素质的新工科型人才。

子午线轮胎有限元分析平台的开发

使用Python编程语言编写脚本,对轮胎在Abaqus软件中的有限元建模过程进行二次开发,搭建子午线轮胎有限元分析平台,将复杂的有限元建模过程参数化,并以11.00R20载重子午线轮胎为例对有限元建模过程进行验证。结果表明,二次开发的有限元分析平台在保证仿真精度的前提下,将原来需要1~2 h才能完成的轮胎有限元建模过程缩短至2 min左右即可完成,极大地提高了工作效率。有限元分析平台的搭建对于有限元分析在轮胎行业中应用的推广和轮胎性能的优化有着十分重要的意义。

基于HyperMesh软件的复杂结构有限元建模

针对结构复杂的大坝有限元结构分析中常需在已有HyperMesh格式有限元模型上增加某些附属混凝土结构,以李家峡双曲拱坝为例,采用HyperMesh软件中的Geom和Tool等子面板建立新增附属结构的几何模型,并剖分为三维有限元模型,进而与AutoCAD软件进行比较。结果表明,利用HyperMesh软件对复杂结构进行补充修改几何模型,可大幅提高建模效率。

基于有限元软件的夹爪设计与拓扑优化分析

针对自动化生产线中用于夹取不同重量的机械手,为实现机械手前端夹爪的轻量化目标,以该机械手夹爪钢构为研究对象,运用ANSYS Workbench 2021 R2有限元仿真软件对其进行静态特性分析。之后进行拓扑优化,并对优化前、后夹爪的静力学性能进行比较,结果表明,在静力学性能相差不大且满足要求的情况下,优化后的夹爪重量减轻了27%,验证了拓扑优化的可行性。

基于有限元计算的脱硫塔吊装强度分析

在脱硫塔吊装作业中,安装吊耳的部位承受着整个脱硫塔的重量,若其结构强度不够,会发生塑性变形,严重时可能会引发坠落事故。对此,以某脱硫塔改装项目为例,采用有限元方法分析并优化吊点的局部结构,使其满足吊装强度要求。结合生产实例,利用AM(Aveva Marine)软件进行脱硫塔一体化建模,得到包含材质信息的脱硫塔有限元分析模型。根据吊装方案和计算需求对该模型进行单元划分、载荷加载和边界约束,在此基础上利用FEMAP软件对脱硫塔在吊装过程中的结构响应进行有限元分析,结果表明吊装方案可行,脱硫塔结构响应满足强度要求。

基于有限元的穿心棒与贝雷梁组合优化研究

以肇明高速刘屋枢纽C匝道桥15#预应力门架墩盖梁支撑集体作为工程案例,通过理论应用结合施工现场实际情况,确保在施工过程中该预应力门架墩盖梁上跨既有的二广高速G匝道畅通,采用穿心棒贝雷梁支架搭设法现浇施工,通过有限元软件建立整体结构三维仿真分析模型,考虑设计不同的穿心棒截面形式及贝雷梁结构形式,分别建模计算,通过在不同参数下的应力、变形及稳定性等指标进行分析,确保支架整体施工安全可靠,为今后类似工程的施工提供了参考及借鉴。

基于有限元的桥基斜坡稳定性及支护措施研究

为研究桥基斜坡的稳定性及支护措施,文章以云南省昆明市某边坡工程为例,基于有限元数值模拟软件MIDAS GTS分析了边坡在不同工况下的位移变化特征,并提出锚索抗滑桩的边坡支护措施。主要结论为:(1)桥梁荷载使岩土体的粘聚力和内摩擦角发生劣化,位移变化主要集中在边坡中下部;(2)桥基边坡对地震所产生的动力荷载较为敏感,坡体内部的岩土体与桥基均易受到动力荷载的影响;(3)随着降雨持续时间的增加,边坡的最大位移由坡顶缓慢向坡底处移动,且位移量不断增加;(4)锚索抗滑桩改善了坡体的受力模式,进而使得边坡的位移量减少,起到了较好的预加固作用。

某高速公路双塔斜拉桥成桥状态与断索工况有限元数值模拟分析

大跨度斜拉桥是跨越深沟峡谷的山区桥梁常见的结构型式之一。文章为研究斜拉桥运营状态下断索后结构响应变化的情况,以某高速公路大跨度双塔斜拉桥为工程背景,利用有限元软件对成桥索力和断索工况进行了计算分析,结果表明:基于弯曲能最小法得到双塔斜拉桥成桥索力,索力由近塔处向远塔处逐渐增大,整体分布较为均匀;根据断索时索力整体变化情况,建议拉索设计时边索安全系数应适当提高,双塔斜拉桥在进行断索计算时应重点关注中跨长拉索断裂工况。此外,实桥中应避免断2根拉索以确保足够的安全储备。

某高速公路门式墩异型盖梁实体有限元分析

文章以某双向八车道高速公路入城段桥梁为工程背景,借助实体有限元软件,利用降温法模拟预应力,对不同荷载工况下的门式墩异型盖梁进行计算分析。结果表明,盖梁受力满足要求,可为类似结构提供参考。

钢制压力容器内壁喷丸工艺对浅表微裂纹影响有限元分析

以压力容器无矩理论(薄膜理论)为基础,利用Abaqus软件建立316L材料的钢制压力容器内壁多弹丸喷丸显示动力学仿真模型,结合FRANC3D软件可直接计算出单独由残余应力场产生的裂纹前缘Ⅰ型应力强度因子(下文均称为K I2)的优势,分析了弹丸喷丸角度,喷丸速度,喷丸方向等工艺参量对含有浅表型微小裂纹的K I2及裂纹扩展初始阶段(前缘扩展微小尺寸)的a-N的影响规律。模拟结果表明,对于危害较大的轴向微小浅表型裂纹,并不是垂直容器内壁喷丸的效果最好,反而与内壁平面成45度具有较好的延长疲劳寿命的效果。喷丸速度不能过低,否则残余应力甚至有增大裂纹扩展速率的趋势(K I2值部分为正),但当速度超过一定值时抗疲劳程度降低,并不是喷丸速度越快喷丸的效果越好,对于特定材料及尺寸的压力容器始终有某一特定速度值具有较好的抗疲劳效果。七弹丸模型沿纵向方向喷丸效果较好,内壁喷丸方向尽量采用纵向方向。