计算机在复合材料学中的应用教学大纲.docx

《计算机在复合材料学中的应用》教学大纲课程编号：B03081500
课程名称：计算机在复合材料学中的应用英文名称：Application of CAD in composites
课程性质：专业选修学时/学分：32/2
考核方式：闭卷考试和平时成绩相结合，以闭卷考试成绩为主。
选用教材：《计算机在复合材料学中的应用》讲义，青岛科技大学，2011。
先修课程：复合材料学、工程力学B、高分子材料流变学、复合材料结构设计 后续课程：毕业设计（论文）适用专业及层次：复合材料与工程专业，本科
一、课程目标
通过本课程的系统讲述计算机在复合材料学中的应用方面的理论知识，使学生具备下列能 力：
1. 能够准确理解有限元中涉及的基本概念，原理，求解方法，以便解决复合材料结构设计中的工 程问题；能够运用所学的有限元理论知识，进行简单复合材料结构的分析计算，提高学生解决实际工程 问题和综合分析问题的能力，培养工程创新能力；
2. 能够把握复合材料结构设计和成型加工中的涉及的控制方程，本构方程，便于计算复合材料成 型加工中的仿真问题：
3. 能够利用讲述的有关有限元软件的知识，了解有限元软件在复合材料中的应用；能够利用所讲述的有关复合材料结构和微观分析特点，运用现代设计手段：CAD/CAE进行设 计或分析；了解复合材料结构设计和加工仿真的前沿动向。
二、课程目标与毕业要求的对应关系三、教学基本内容
毕业要求
指标点
课程目标
1.工程知识
1-4能将工程基础和专业知识用于 解决复合材料制造和应用及相关领域 的复杂工程问题。
课程目标1 课程目标3 课程目标2
课程目标5
4.问题分析
4-1能根据复杂工程应用的需要，对 复合材料组成、组织结构、性能及其 相互关系进行研究和实验验证。
课程目标2 课程目标5
5.使用现代工具
5-1具有计算机应用能力；能使用专 业软件对复合材料结构进行分析、模 拟和优化。
课程目标2 课程F1标5
第一章：绪论（支撑课程目标2、4、5）
一、计算机在复合材料中的应用概述
二、复合材料结构设计方法进展第二章：复合材料力学概述（支撑课程目标1、2、3）
一、复合材料力学中的基本概念二、复合材料力学基础
1. 复合材料细观力学复合材料宏观力学
2. 各向异性弹性力学基础单层复合材料的宏观力学分析
三、复合材料强度理论与破坏准则蔡一希尔理论
1. 霍夫曼理论蔡一吴张量理论
要求学生：掌握复合材料力学中的基本概念；了解复合材料强度理论与破坏准则。
第三章：有限元方法概述（支撑课程目标1、2、4）第一节有限元方法的基本概念
第二节有限元方法的原理一、位移法
二、能量原理第三节有限元法的求解步骤
一、单元离散、分析和单元刚度矩阵儿何模型建立与单元分析
1. 单元类型与位移模式单元刚度矩阵
2. 本构关系与弹性矩阵
二、整体分析和整体刚度矩阵
1. 边界条件和初始条件
2. 等效载荷
3. 整体刚度矩阵
4. 整体刚度矩阵的特点
三、矩阵求解方法简介
1. 大型稀疏矩阵的存储方法
2. 常用的矩阵求解方法
第四节常用有限元软件介绍
一、MSC.MARC软件在复合材料学中的应用
1. 在复合材料结构分析中的应用
2. 在复合材料设计中的应用
3. 在复合材料制品成型加工中的应用
二、ABAQUS软件在复合材料学中的应用
1. 在复合材料结构分析中的应用
2. 在复合材料设计中的应用
3. 在复合材料制品成型加工中的应用
要求学生：掌握有限元概念和原理，有限元的求解步骤；r解利用商业化软件进行复合材 料结构分析的步骤和方法。
第四章：典型复合材料结构的有限元分析（支撑课程目标1、4、5）
第一节轮胎制品
1. 轮胎有限元分析简介
2. 几何非线性
3. 材料非线性
4. 接触非线性
5. 轮胎几何模型建立
6. 轮胎材料模型建立
7. 初、边值条件
8. 数值计算参数设定与求解
第二节金属增强复合材料结构的分析
1. 橡胶减振件的有限元分析
2. 橡胶密封件的有限元分析
要求学生：掌握轮胎有限元涉及的非线性问题，如何解决。了解橡胶减震器等复合材料结 构的分析过程。
第五章：短纤维增强复合材料结构的成型过程分析（支撑课程目标1、3、5）
1. 聚合物流变学方程
2. 控制方程的离散方法
3. 数值求解方法
要求学生：掌握复合材料成型加工中涉及的控制方程；了解控制方程的离散方法和求解方 法。
第六章：复合材料结构的微观分析（支撑课程目标2、3、5）
1. CAD在复合材料设计中的应用
2. 复合材料破坏和失效的微观分析要求学生：掌握计算机在复合材料设计中应用领域，合理选取软件；了解复合材料破坏和 失效的微观分析方法和表征。
四、教学重点与难点第一章：绪论（支撑课程目标2、4、5）
教学重点：计算机在复合材料结构设计中的应用领域、意义
教学难点：现在设计手段CAD/CAE如何在复合材料中应用？
第二章：复合材料力学概述（支撑课程目标1、2、3）教学重点：应力和应变的概念，几何方程，本构方程，单层复合材料的宏观力学性能参数 计算公式，复合材料强度理论与破坏准则
教学难点：如何利用复合材料强度理论与破坏准则评判结构的强度和失效？
第三章：有限元方法概述（支撑课程目标1、2、4）
教学重点：有限元概念及其原理，有限元方法的求解步骤
教学难点：有限元中的单元刚度矩阵，整体刚度矩阵，形函数的几何意义第四章：典型复合材料结构的有限元分析（支撑课程目标1、4、5）
教学重点：轮胎有限元分析的难点，如何根据轮胎分布图建立合理的网格模型？如何施加轮 胎材料的参数？
教学难点：轮胎有限元分析时，模型的合理等效，初始、边界条件的施加，接触参数的确定 第五章：短纤维增强复合材料结构的成型过程分析（支撑课程目标1、3、5）
教学重点：聚合物流变学方程的意义，如何进行控制方程的离散？
教学难点：数值求解方法有哪些，如何应用？
第六章：复合材料结构的微观分析（支撑课程目标2、3、5）
教学重点：复合材料破坏的机理分析和表征
教学难点：结合复合材料强度理论和破坏准则，如何对复合材料破坏和失效进行微观分析？
五、教学建议进度（学时数32）
第一章绪论（学时数2）
第二章复合材料力学概述（学时数8）
第三章有限元方法概述（学时数8）
第四章典型复合材料结构的有限元分析（学时数6）
第五章短纤维增强复合材料结构的成型过程分析（学时数4）
第六章复合材料结构的微观分析（学时数4）
课内外时间比例为1： 1-1.5六、教学方法
1. 多媒体教学与板书相结合
2. 典型应用实例讲解
3. 国内参考教材为主，国外专著补充
4. 教学与科研相结合七、考核方式
闭卷考试，课外作业，平时测验，报告八、成绩评定方法
笔试，考试成绩占70%,课外作业，平时测验，报告占30%。
九、教学参考书
1. 《复合材料力学》沈观林，胡更开编著，清华大学出版社，2006
2. 《Coniputational Materials Science》，Dierk Raabe, Wiley & Son, 1998
3. 《Mechanics of Composite Materials》Autar K. Kaw, CRC Press, 2006.
4. 《有限元分析的概念与应用》第四版，（R.D.库克），关正西，强洪夫译.西安交通大学出 版社,2007.
5. 《有限元分析及其应用》，曾攀.清华大学出版社，2004.