基本介紹
- 中文名：結構概念分析與ANSYS程式實現
- 提供院校：同濟大學
- 類型：慕課、國家精品線上開放課程、國家級一流本科課程
- 授課教師：郭小農 、 朱慈勉 、 張偉平 、 羅永峰
- 授課平台：中國大學MOOC
- 開課時間：2018年10月22日
課程性質,課程簡介,課程大綱,開課信息,教學目標,學習預備,所獲榮譽,教師簡介,
課程性質
課程定位
結構概念分析與ANSYS程式實現課程是讓學生掌握通用有限元程式ANSYS的命令流編程方法和技巧；並在此基礎上深刻理解和掌握結構基本概念，包括幾何非線性、材料非線性、結構穩定、結構動力學等各方面的結構概念；並通過重大工程案例的講解，培養學生解決實際工程問題和科研問題的能力。
課程簡介
結構概念分析與ANSYS程式實現課程共分12章內容，該課程系統地介紹了ANSYS程式的基本操作及有限元基本原理在ANSYS中的實現方式，給出的典型實例都附有ANSYS實現過程，以典型算例為載體，通過計算精度影響因素的討論，更為直觀地展示了有限元分析中的細節。該課程遵循理論到實踐的原則，先用具體的實例介紹了有限元分析的計算過程和步驟，然後再輔以詳細的ANSYS分析過程。
課程大綱
01第00講：緒論 緒論，總計1個視頻 課時 前修課程介紹，ANSYS用戶界面簡介，命令流簡介。 第01講：求解簡支梁的撓度 求解簡支梁的撓度，總計3個算例，7個視頻 課時 【算例Ex01a】 題目：純彎簡支鋼樑的撓度 知識點： 01.01平截面假定 01.02有限元的基本思想 01.03梁單元的形函式 【算例Ex01b】 題目：承受均布荷載的簡支鋼樑的撓度(Beam3) 【算例Ex01c】 題目：承受均布荷載的簡支鋼樑的撓度(Beam188) 知識點： 01.04彎曲變形和剪下變形 01.05單元劃分對剛度的影響 【算例Ex01d】 題目：寬翼緣箱梁的剪力滯後效應 知識點： 01.06梁單元Beam188的形函式 01.07計算目的和模型選取之間的關係 01.08如何準確設定約束條件 第02講：求解單層網殼的屈曲荷載 求解單層網殼的屈曲荷載，總計4個算例，5個視頻 課時 【算例Ex02a】 題目：求解單層網殼的屈曲荷載 知識點： 02.01梁單元形函式精度對計算結果的影響 02.02線性屈曲分析的過程 02.03線性屈曲係數和屈曲模態的意義 【算例Ex02b】 題目：求解單層網殼的屈曲荷載（桿件劃為多段） 知識點： 02.04網殼的整體失穩和局部失穩 02.05計算目的和計算模型的選取 02.06網殼的整體剛度和構件局部剛度之間的關係 【算例Ex02c】 題目：求解單層球面板殼的屈曲荷載 知識點： 02.07拓補關係和建模方法 【算例Ex02d】 題目：鋁合金板式節點網殼的屈曲荷載 知識點： 02.08鋁合金板式節點網殼的構成 02.09構件的自由扭轉和約束扭轉 02.10開口截面和閉口截面的抗扭剛度對比 第03講：認識應力剛度 認識幾何非線性的概念，總計5個算例，11個視頻 課時 【算例Ex03a】 題目：頂部側向彈簧約束的二力桿的屈曲荷載 知識點： 03.01桿單元的彈性剛度矩陣 03.02桿單元的應力剛度矩陣 03.03線性屈曲分析的數學過程 03.04ANSYS中剛度矩陣存儲時的數據結構 03.05平衡法和能量法求解屈曲荷載和屈曲模態 【算例Ex03b】 題目：有側向彈簧約束的多根二力桿體系的屈曲荷載 知識點： 03.06根據物理意義直接寫彈性剛度矩陣 03.07根據物理意義直接寫應力剛度矩陣 03.08如何判斷第1階屈曲模態 03.09第1階屈曲模態為何是正弦曲線 【算例Ex03c】 題目：有轉角彈簧約束的多根二力桿體系的屈曲荷載 知識點： 03.10彎曲失穩的壓桿離散化等效模型 03.11如何耦合自由度 第04講：認識幾何非線性 認識幾何非線性的概念，總計5個算例，11個視頻 課時 【算例Ex04a】 題目：兩桿桁架中點承受豎向荷載時的撓度 知識點： 04.01結構力學線性解答 04.02根據物理方程和平衡方程推導精確解 04.03引起幾何非線性的原因之一：變形量誤差 04.04引起幾何非線性的原因之二：平衡誤差 04.05兩桿桁架的剛度變化過程 【算例Ex04b】 題目：兩桿桁架和兩桿拱的對比 知識點： 04.06兩桿拱的剛度變化過程 04.07保守系統的能量守恆 04.08真正的平衡：時時刻刻平衡 04.09求解非線性方程組的牛頓-拉芙遜疊代法 04.10求解非線性方程組的弧長法 【算例Ex04c】 題目：鉸支扁拱的跳躍失穩 知識點： 04.11跳躍失穩的概念 【算例Ex04d】 題目：60單元鉸接穹頂的多重跳躍失穩 知識點： 04.12基本平衡路徑 【算例Ex04e】 題目：承受均布荷載的拉索 知識點： 04.13拉索的軸向剛度 04.14載入路徑對拉索軸向剛度的影響 04.15載入路徑對拉索豎向剛度的影響 第05講：求解四邊簡支板的屈曲荷載 求解四邊簡支板的屈曲荷載，總計4個算例，7個視頻 課時 【算例Ex05a】 題目：四邊簡支板的屈曲荷載 知識點： 05.01四邊簡支板的平衡微分方程 05.02單位板寬的抗彎剛度 05.03經典彈性力學理論的基本假定 05.04平面內約束條件對屈曲荷載的影響 05.05泊松效應，泊松比對屈曲荷載的影響 【算例Ex05b】 題目：彈性四邊簡支板的屈曲後強度 知識點： 05.06四邊簡支板的屈曲後強度 05.07採用一致模態法施加初始缺陷 05.08對比縱向壓力場和橫向拉力場 【算例Ex05c】 題目：彈塑性四邊簡支板的屈曲後強度 知識點： 05.09四邊簡支板的彈塑性屈曲後強度 【算例Ex05d】 題目：鋼捲尺的懸臂長度 知識點： 05.10工程構件中的板件的邊界條件 05.11四邊簡支板和三邊簡支板的穩定係數k 05.12板件局部失穩的屈曲半波長 05.13長寬比對線性屈曲荷載的影響 05.14正放、反放和側放時鋼捲尺的懸臂長度對比 第06講：認識材料非線性 認識材料非線性的概念，總計7個算例，17個視頻 課時 【算例Ex06a】 題目：圓棒的單軸拉壓 知識點： 06.01單軸拉壓時的屈服,強化,卸載,反向載入 06.02雙線性隨動強化模型BKIN 06.03多線性隨動強化模型KINH 06.04雙線性各向同性強化模型BISO 06.05多線性各向同性強化模型MISO 【算例Ex06b】 題目：純彎簡支鋼樑的撓度 知識點： 06.06延性對結構性能的影響 06.07低碳鋼單軸拉伸應力應變曲線的幾個階段 【算例Ex06c】 題目：殘餘應力對軸拉構件的影響 知識點： 06.08殘餘應力對軸拉構件的承載力幾乎無影響 06.09殘餘應力會提前降低軸拉構件的剛度 06.10有殘餘應力的軸拉構件卸載後有殘餘變形 【算例Ex06d】 題目：雙向受拉鋼板的承載力 知識點： 06.11多軸應力作用下的屈服條件 06.12多軸應力作用下的流動法則 06.13多軸應力作用下的強化條件 06.14米塞斯屈服準則，屈服面 【算例Ex06e】 題目：承受均勻壓力的圓球 知識點： 06.15米塞斯屈服準則和靜水壓力無關 06.16鋼材在三向拉應力作用下會變脆 【算例Ex06f】 (待補充) 題目：矩形截面簡支梁的塑性鉸模型 知識點： 06.17塑性鉸模型 06.18結構的層次：纖維、截面、構件、結構 【算例Ex06g】 (待補充) 題目：開孔受拉鋼板的極限承載力 知識點： 06.19應力集中現象 06.20延性對應力集中現象的影響 第07講：鋼壓桿的極限承載力 計算鋼壓桿的極限承載力，總計5個算例，14個視頻 課時 【算例Ex07a】 題目：H型截面軸壓構件的極限承載力 知識點： 07.01軸壓構件的彎曲失穩 07.02多條柱子曲線 07.03Perry公式 07.04正則化長細比和整體穩定係數 | 【算例Ex07b】 題目：H型截面軸壓構件的極限承載力(考慮殘餘應力) 知識點： 07.05焊接工字鋼的殘餘應力模式 07.06剪下邊和火焰切割邊的差別 07.07Beam188的截面分塊和積分點 07.08殘餘應力對構件整體穩定性能的影響 【算例Ex07c】(待補充) 題目：T型截面軸壓構件的極限承載力 知識點： 07.09軸壓構件的彎扭失穩機理 07.10軸壓構件彎扭失穩的力學分析 07.11等效彎扭長細比 【算例Ex07d】(待補充) 題目：理想十字型截面軸壓構件的扭轉失穩 知識點： 07.12軸壓構件的扭轉失穩機理 07.13扭轉失穩長細比 07.14聖維南原理 07.15殘餘應力對軸壓構件扭轉失穩的影響 【算例Ex07e】(待補充) 題目：H型截面鋼樑的彎扭失穩 知識點： 07.16鋼樑彎扭失穩的機理 07.17鋼樑彎扭失穩的影響因素 07.18臨界彎矩 第08講：結構動力學分析入門 學習基本的結構動力學問題，總計6個算例，18個視頻 課時 【算例Ex08a】 題目：彈簧串聯多質點體系的無阻尼模態分析 知識點： 08.01結構動力學基本方程 08.02結構的質量矩陣 08.03模態分析的數學特徵 【算例Ex08b】 題目：簡支梁的無阻尼模態分析 知識點： 08.04集中質量和一致質量 08.05慣性耦合 08.06瑞雷李茲法 【算例Ex08c】 題目：懸索結構的無阻尼模態分析 知識點： 08.07幾何非線性對結構自振頻率的影響 08.08部分解 【算例Ex08d】 題目：懸索結構的無阻尼自由振動時程分析 【算例Ex08e】 題目：採用振型分解反應譜法計算三層框架的地震回響 知識點： 08.09振型分解反應譜法 08.10地震反應譜 08.11振型的正交性 08.12振型的歸一化準則 08.13振型參與係數 08.14SRSS和CQC 【算例Ex08f】(待補充) 題目：單自由度體系的時程分析 知識點： 08.15時程分析 08.16地震波的輸入 第09講：上海國際會議中心球面網殼整體穩定性分析 上海國際會議中心球面網殼整體穩定性分析，研究節點剛度對結構穩定性的影響。總計1個工程實例，1個引例，3種模擬方法，1個拓展算例。總計16個視頻 課時 【引例Ex09a】 題目：採用截面折減法模擬節點剛度 知識點： 09.01節點剛度 09.02半剛接節點、剛接節點、桿端剛域 09.03複雜工程的分析邏輯：引例 09.04截面折減法 【引例Ex09b】 題目：採用線性彈簧COMBIN14模擬節點剛度 知識點： 09.05採用線性彈簧COMBIN14模擬節點剛度 【引例Ex09c】 題目：採用非線性彈簧COMBIN39模擬節點剛度 知識點： 09.06採用非線性彈簧COMBIN39模擬節點剛度 【實例Pr01a】 題目：上海國際會議中心單層球面網殼的整體穩定性-截面折減法 【實例Pr01b】(待補充) 題目：上海國際會議中心單層球面網殼的整體穩定性-Combin39 知識點： 09.07一致模態法施加缺陷 09.08缺陷的方向 09.09節點剛度對整體穩定性的影響 【算例Ex09d】(待補充) 題目：鋁合金板式節點網殼的整體穩定性 知識點： 09.10鋁合金板式節點簡介 09.11鋁合金板式節點的四折線剛度模型 09.12彎曲剛度對整體穩定性影響最大 09.13軸向剛度對撓度影響最大 09.14鋁合金板式節點網殼的整體穩定性試驗簡介 09.15鋁合金結構研究體系介紹 第10講：國家大劇院鋼網殼施工過程分析 國家大劇院鋼網殼施工過程分析。總計1個工程實例，1個引例，4種模擬方法，2個拓展算例。總計16個視頻 課時 【引例Ex10a】 題目：強迫位移法模擬單跨鋼樑的施工過程 知識點： 10.01介紹國家大劇院的施工過程 10.02施工過程中約束條件的改變如何模擬 10.03設計引例：單跨鋼樑的施工過程 10.04強迫位移法 【引例Ex10b】 題目：採用非線性彈簧模擬單跨鋼樑的施工過程 知識點： 10.05採用非線性彈簧模擬施工過程 【引例Ex10c】 題目：採用生死單元法模擬單跨鋼樑的施工過程 知識點： 10.06生死單元法 【引例Ex10d】 題目：採用耦合自由度法模擬單跨鋼樑的施工過程 知識點： 10.07自由度耦合 【實例Pr02a】 題目：國家大劇院鋼網殼施工過程模擬-自由度耦合法 知識點： 10.08國家大劇院鋼網殼結構體系介紹 10.09該施工方法的有利影響和不利影響 10.10拱腳的次彎矩 【算例Ex10e】(待補充) 題目：鉸支扁拱的跳躍失穩(載入過程中變為固接) 知識點： 10.11重啟動技術 10.12載入過程中約束條件的變化對承載力的影響 【算例Ex10f】(待補充) 題目：某次失敗的軸壓構件試驗模擬 知識點： 10.13刀口支座介紹 10.14刀口支座的轉動能力 10.15載入過程中約束條件的變化對承載力的影響 第11講：大跨度鋼結構的卸載分析(待補充) 大跨度鋼結構的卸載過程分析，總計4個工程實例，1個引例，4種模擬方法，2個拓展算例。總計20個視頻 課時 【引例Ex11a】(待補充) 題目：鋼樑卸載過程模擬 知識點： 11.01介紹大跨鋼結構的常見施工過程 11.02強迫位移法 11.03約束方程法 11.04恆力支撐法 11.05）彈性支撐法 【實例Pr03a】(待補充) 題目：鹽城體育場鋼結構卸載過程分析 知識點： 11.06鹽城體育場鋼結構體系介紹 11.07鹽城體育場鋼結構的臨時支撐體系 11.08鹽城體育場鋼結構的卸載方案 11.09第1類卸載問題：位移控制、獨立支撐 【實例Pr04a】(待補充) 題目：國家大劇院鋼網殼卸載過程分析 知識點： 11.10國家大劇院鋼網殼結構體系介紹 11.11國家大劇院鋼網殼的臨時支撐體系 11.12國家大劇院鋼網殼的卸載方案 11.13第2類卸載問題：位移控制、聯合支撐 【實例Pr05a】(待補充) 題目：馬鞍山游泳館鋼結構卸載過程分析 知識點： 11.14馬鞍山游泳館鋼結構體系介紹 11.15馬鞍山游泳館鋼結構的臨時支撐體系 11.16馬鞍山游泳館鋼結構的卸載方案 11.17第3類卸載問題：力控制 【實例Pr06a】(待補充) 題目：虹橋國家會展中心鋼結構卸載過程分析 知識點： 11.18虹橋國家會展中心鋼結構體系介紹 11.19虹橋國家會展中心鋼結構的臨時支撐體系 11.20虹橋國家會展中心鋼結構的卸載方案 11.21第4類卸載問題：恆力千斤頂 第12講：懸索結構的找形分析(待補充) 懸索結構的找形分析，總計1個工程實例，1個引例，2種找形方法。預計10個視頻 課時 【引例Ex12a】(待補充) 題目：兩根交叉懸索結構的找形分析 知識點： 12.01懸索結構的找形分析方法 |
（註：課程大綱排版從左至右）
開課信息
開課次數 | 開課時間 | 授課教師 | 學時安排 | 參與人數 |
|---|---|---|---|---|
第1次開課 | 2018年10月22日~2019年02月20日 | 郭小農 、 朱慈勉 、 張偉平 、 羅永峰 | 5學時每周 | 11356 人 |
第2次開課 | 2019年03月11日~2019年07月08日 | 3小時每周 | 6859 人 | |
第3次開課 | 2019年09月09日~2020年02月17日 | 4小時每周 | 7669 人 | |
第4次開課 | 2020年02月26日~2020年08月07日 | 8142 人 | ||
第5次開課 | 2020年09月14日~2021年02月01日 | 4121 人 | ||
第6次開課 | 2021年03月08日~2021年07月31日 | 4758 人 | ||
第7次開課 | 2021年09月20日~2022年02月01日 | 4093 人 | ||
第8次開課 | 2022年03月02日~2022年08月22日 | 4303 人 | ||
第9次開課 | 2022年08月31日~2022年12月31日 | 2319 人 | ||
第10次開課 | 2023年03月08日~2023年06月30日 | 待定 |
（註：開課信息參考資料）
教學目標
該課程以通用有限元程式ANSYS為工具，通過對命令流的學習，使學生了解並掌握基本結構概念，培養解決實際工程問題和科研問題的能力。
學習預備
預備知識
該課程要求學生具備材料力學、結構力學、鋼結構、結構穩定和結構動力學方面的基礎知識，且對ANSYS的用戶界面操作有基本了解和認識。
所獲榮譽
2020年11月24日，該課程被中華人民共和國教育部認定為首批國家級一流本科課程（線上一流課程）。
教師簡介
郭小農，男，同濟大學副教授，博士生導師。
朱慈勉，男，博士學位，同濟大學教授，博士研究生導師。
張偉平，男，博士、教授、博士生導師，同濟大學土木工程學院副院長。
羅永峰，男，同濟大學土木工程學院建築工程系教授、博導。中國鋼結構協會專家委員會委員、鋼結構大師。
