12ANSYS课程设计报告 - 图文

辽宁工程技术大学

课 程 设 计

课 程 题 目

大型工程分析软件及应用 ANSYS建模、静动力计算

院 系 力学与工程学院 专业班级 学生姓名 学生学号 任课老师

2015年 4月 27 日

工力12-1班

马凯 1216020112 赵宝友

课程设计报告目录

第1章 概述 ............................................................................. 错误！未定义书签。

1.1课程设计的意义、目的 .......................................... 错误！未定义书签。 1.1.1 ANSYS简介 ............................................................... 错误！未定义书签。 1.1.2 课程设计的意义、目的 ........................................... 错误！未定义书签。

1.2课程设计研究的内容 ................................................ 错误！未定义书签。

第

2章 钢筋混凝土梁的静力分析 ........................... 错误！未定义书签。

2.1问题描述 ........................................................................ 错误！未定义书签。

2.2 ANSYS有限元模型 ................................................... 错误！未定义书签。

2.3结果分析 .................................................................... 错误！未定义书签。

2.3.1 钢筋混凝土梁数值模拟下的第一荷载步应力位移图错误！未定义书签。 2.3.2钢筋混凝土梁数值模拟下的最后荷载步应力位移图错误！未定义书签。 2.3.3 钢筋混凝土梁数值模拟下最后一步荷载的钢筋位移分布错误！未定义书签。

2.3.4 钢筋混凝土梁数值模拟下裂缝区域图 ................... 错误！未定义书签。 2.4本章小结 ...................................................................... 错误！未定义书签。 第

3章 隧洞开挖稳定性分析 ...................................... 错误！未定义书签。

3.1问题描述 ........................................................................ 错误！未定义书签。 3.2 ANSYS有限元模型 ................................................... 错误！未定义书签。 3.3结果分析 ........................................................................ 错误！未定义书签。 3.3.1 隧道数值模拟下的隧道开挖前应力位移图 .......... 错误！未定义书签。 3.3.2 隧道数值模拟下的隧道开挖后应力位移图 .......... 错误！未定义书签。

3.3.3 隧道数值模拟下的隧道开挖后施以列车荷载应力位移图错误！未定义书签。

3.4本章小结 ........................................................................... 错误！未定义书签。

第4章 混凝土重力坝静力稳定性分析 .................. 错误！未定义书签。

4.1 问题描述 .......................................................................... 错误！未定义书签。 4.2 ANSYS有限元模型 ...................................................... 错误！未定义书签。 4.3 结果分析 .......................................................................... 错误！未定义书签。 4.3.1 变形场 ........................................................................ 错误！未定义书签。 4.1.2 应力场 ........................................................................ 错误！未定义书签。 4.4 本章小结 .......................................................................... 错误！未定义书签。

第5章 混凝土重力坝动力稳定性分析 .................. 错误！未定义书签。

5.1 问题描述 .......................................................................... 错误！未定义书签。 5.2 ANSYS有限元模型 ...................................................... 错误！未定义书签。 5.3 结果分析 .......................................................................... 错误！未定义书签。 5.3.1 混凝土重力坝反应谱分析中的应力 .......................... 错误！未定义书签。 5.3.2 混凝土重力坝反应谱分析中的位移 .......................... 错误！未定义书签。 5.3.3 混凝土重力坝反应谱分析中的加速度 ...................... 错误！未定义书签。 5.4本章小结 ........................................................................... 错误！未定义书签。

第6章 结论 ............................................................................. 错误！未定义书签。

参考文献 ................................................................................... 错误！未定义书签。

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课程设计报告

第1章 概述

1.1 课程设计的意义、目的

1.1.1 ANYSYS简介 （1） ANSYS概述

ANSYS是20世纪70年代由美国ANSYS公司研制开发的工程分析软件。它是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型CAE通用有限元软件，可以广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利以及日用家电等一般工业及科学研究。该软件运行于大多数计算机及操作系统。从PC机到工作站，直至巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列及工作平台上均兼容。ANSYS是一个包括多物理分析功能的软件。

ANSYS模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，他们是承受动态载荷的重要参数，也可作为其他动力学分析的起点，是进行谱分析或模态叠加法普响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。模态分析在动力学分析过程中必不可少的一个步骤，在谱响应分析、瞬态动力学分析的分析过程中均要求先进行模态分析才能进行其他步骤。 （2） ANSYS的特点

1)前处理模块。它为用户提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型，软件提供了100余种单元类型，用来模拟工程中的各种材料。前处理模块主要实现三种功能：参数定义、实体建模、网格划分。

2)求解模块。求解模块是程序用来完成对已经生成的有限元模型进行力学分析和有限元求解。再次阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项

3)后处理模块。完成计算后，可通过后处理模块将计算结果以彩色等值线显示、云图显示、梯度显示、矢量显示、粒子流显示、立体切片显示、半透明显示等

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图形方式显示出来，也可以将结果以图表、曲线形式显示或输出。ANSYS后处理模块分为两部分：通用后处理模块和时间历程后处理模块。

ANSYS模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，他们是承受动态载荷的重要参数，也可作为其他动力学分析的起点，是进行谱分析或模态叠加法普响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。模态分析在动力学分析过程中必不可少的一个步骤，在谱响应分析、瞬态动力学分析的分析过程中均要求先进行模态分析才能进行其他步骤。 （3） ANSYS的功能 1)ANSYS的基本功能

能够实现：结构静力学分析；结构动力学分析；结构非线性分析；动力学分析；热分析；电磁场分析；流体动力学分析；声场分析；压电分析； 2)ANSYS软件的高级功能

能够实现：多物理场耦合分析，考虑两个或多个物理场之间的相互作用，以得到更加精确的结果；优化设计，是一种寻找最优方案的技术，所有可以参数化的ANSYS选项都可以进行优化设计；拓扑优化，其目标是寻找承受单荷载或多荷载的物体的最佳材料分配方案；单元的生死，本功能主要用于钻孔（如隧道的开挖和开矿等）、建筑物施工过程（如桥梁的建筑过程等）以及顺序组装的；用户可拓展功能，ANSYS软件的开放结构允许连接自己的FORTRAN程序和子过程。 1.1.2 课程设计的目的和意义

根据课堂讲授内容，学生做相应的自主练习，消化课堂所讲解的内容；通过调试典型例题或习题积累调试ANSYS程序的经验；通过完成课程设计中中的编程题，逐渐培养学生的编程能力、用ANSYS解决实际问题的能力。

通过ANSYS课程设计，熟练掌握利用ANSYS有限元软件进行数值计算的过程中的建模、加载、荷载步设置、后处理等具体操作。为后续课程设计和毕业论文的顺利进行奠定基础。

1.2课程设计研究的内容

（1）ANSYS数值模型的建立。

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（2）ANSYS静力问题的求解。 （3）ANSYS动力问题的求解。

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第2章 钢筋混凝土梁的静力分析

2.1 问题描述

截面钢筋混凝土矩形简支梁配有受拉钢筋受压钢筋，箍筋，载荷以及截面形式如图所示，要求运用ansys程序分析此梁的受力情况。

材料性能：混凝土弹性模量E=24GPa,泊松比V=0.2。单轴抗拉强度传递系数0.4，裂缝闭合传递系数1，关闭压碎开关。

钢筋为双线性随动硬化性材料，受拉钢筋弹性模量E=200GPa，泊松比为0.3，

ft=3MPa，

?0.2?350MPa受压钢筋以及箍筋E=200GPa，泊松比为0.25，?0.2?200MPa。外部

载荷P=-5mm。

2.2 ANSYS有限元模型

1、单元属性 材料属性

Shell65 Link8 Plane42

表2-2 材料属性参数

量

弹性模泊松比 屈服应力

4

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0.00853MPa，小于3MPa。

图4-18 X方向应力图 图4-19 Y方向应力图

图4-20 Z方向应力图 图4-21 XY面切应力图

图4-22 YZ面切应力图 图4-23 XZ面切应力图

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图 4-24 第一主应力图 图4-25 第三主切应力图

2.3.3 钢筋混凝土梁数值模拟下最后一步荷载的钢筋位移分布

根据以下位移云图可以看出，当对钢筋混凝土梁进行静力分析的时候，X方向的钢筋的位移变化不大，最大值为15.953mm；Y方向的位移沿钢筋的方向成层状排列，但位移变化不大，最大值为16.495mm；Z方向的位移变化也具有沿钢筋最大值为0.0321mm；总位移变化总体依然规律依然是沿梁方向呈层状排列，最大值为21.769mm。

图4-26 X方向位移图 图4-27 Y方向位移图

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图4-28 Z方向位移图 图4-29 总位移图

2.3.4 钢筋混凝土梁数值模拟下裂缝区域图

图4-30 第一次裂缝位置 图4-31 第二次裂缝位置

根据ansys分析，对梁的第一次裂缝和第二次裂缝分别进行分析可得：跨中截面和梁底部的裂缝较多，这与钢筋混凝土理论计算也是符合的。

2.4本章小结

本章通过对混凝土梁进行有限元分析，通过Ansys进行数值模拟，得出了混凝土梁在第一步载荷和最后一步荷载作用下的各个方向的位移和总的位移、以及各个方向的正应力和剪应力的云图。同时，也对混凝土梁进行了裂缝的分析，初步得出了裂缝出现的位置以及裂缝出现的程度。最后，单独对梁中的钢筋进行了分析和模

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拟，也分析出了钢筋的变形情况。通过本次实践，我初步掌握了数值模拟的基本思想和大致过程，也学习到了一些Ansys软件的命令。对自己将来的学习打下了良好的基础。

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第3章 隧洞开挖稳定性分析

3.1 问题描述

选取新建铁路宜昌一万州铁路线上的某隧道，隧道为单洞双车道，隧道下方存 在一个溶洞，隧道支护结构为曲墙式带仰拱复合衬砌。 主要参数如下:

隧道衬砌厚度为30cm

采用C25钢筋混凝土为衬砌材料

隧道围岩是四级，隧道溶洞跨是

13m,隧道深埋是

80m

溶洞近似圆形，溶洞半径是3.6m，溶洞与隧道距离12.8m

围岩材料采用Drucker-Prager模型 隧道拱腰到拱顶布置30根?25锚杆

隧道围岩的物理力学指标及衬砌材料C30钢筋混凝土的物理力学指标见表

表3-1 物理力学指标

名称

密度

弹性抗力系数 弹性模量 泊松比

? K/(MPa/m) E/GPa 300

- -

3.6 29.5 170

0.32 0.15 0.3

内摩擦角

凝聚力 C/MPa 0.6 042 -

?/(kg/m3)

2200 Ⅳ级围岩

C25钢筋混凝土 2500

7960 锚杆

?/(?)

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54 -

利用ANSYS提供的对计算单元进行“生死”处理的功能，来模拟隧道的分步开挖和支护过程，采用直接加载法，将岩体自重，外部恒载，列车荷载等在适当的时候加在隧道周围岩体上。利用ANSYS后处理器来查看隧道施工完后隧道与溶洞之间塑性区贯通情况，来判断隧道底部存在溶洞情形时，实际采用的设计和施工方式是否安全可行。

3.2 ANSYS有限元模型

1、单元属性 材料属性 Beam3 plane42 Link1

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表3-2 材料属性参数

衬砌混凝土

围岩

锚杆

弹性模量 30GPa

3.6 170

泊松比 0.2

0.32 0.3

密度 2500

2200 7960

2、建模

（1）按照数据建立部分节点，建立隧道衬砌部分，并赋予材料属性； （2）建立初期加固范围，并赋予材料属性； （3）生成初期支护锚杆，并赋予材料属性；

（4）生成支护梁单元、锚杆单元，并赋予材料属性；得到如图所示的模型：

图3-1模型图

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3、施加边界条件 静水压力和惯性力

分别施加法向约束，重力加速度，将荷载分为三个荷载步，用大位移条件求解。如图：

图3-2

3.3结果分析

3.3.1 隧道数值模拟下的隧道开挖前应力位移图

根据以下位移云图可以看出，当对隧道进行分析的时候，X方向的隧道的位移变化不大，最大值为0.00771m；Y方向的位移沿竖的方向成层状排列，但位移变化不大，最大值为-0.043325m；总位移变化总体依然规律依然是沿竖方向呈层状排列，最大值为0.43325m。

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图3-3 X方向位移图 图3-4 Y方向位移图

图3-5 总位移图

根据以下应力云图可以看出，当对隧道进行分析的时候，X方向应力沿竖向层状排列，最大值为-41373Pa，最小值为-0.144E+07Pa，；Y方向应力沿竖向层状排列，最大值为-94177Pa，最大压应力为-0.500E+07Pa；Z方向应力最大值为-43494Pa，最小值为-0.172E+07Pa；等效应力整体呈层状排列，溶洞处压力较大，最大值为0.143E+07Pa，最小值为41373Pa；第一主应力拉应力最大值为-43949Pa；第三主应力最大压应力为-0.500E+07Pa。

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图3-6 X方向应力图 图3-7 Y方向应力图

图3-8 Z方向应力图 图3-9 第一主应力图

图3-10 等效应力图 图3-11 第三主应力图

3.3.2 隧道数值模拟下的隧道开挖后应力位移图

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根据以下位移云图可以看出，当对隧道进行分析的时候，X方向的隧道的位移变化不大，最大值为0.043334m；总位移变化总体依然规律依然是沿竖方向呈层状排列，最大值为0.41367m。

图3-12 X方向的位移图 图3-13 Y方向的位移图

图3-14 总位移图

根据以下应力云图可以看出，当对隧道进行分析的时候，X方向应力沿竖向层状排列，最大值为-94117Pa，最小值为-0.500E+07Pa，；Y方向应力沿竖向层状排列，最大值为-43492Pa，最大压应力为-0.172E+07Pa；Z方向应力最大值为-41367Pa，最小值为-0.143E+07Pa；等效应力整体呈层状排列，溶洞处压力较大，最大值为

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-43492Pa，最小值为-0.172E+07Pa；第一主应力拉应力最大值为-94117Pa；第三主应力最大压应力为-0.412E+07Pa。

图3-15 X方向的应力图 图3-16 Y方向的应力图

图3-17 第一主应力图 图3-18 第三主应力图

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图3-19 等效应力图

3.3.3 隧道数值模拟下的隧道开挖后施以列车荷载应力位移图

根据以下位移云图可以看出，当对隧道进行分析的时候，X方向的隧道的位移变化不大，最大值为0.043334m。

图3-20 X方向的位移图 图3-21 Y方向的位移图

根据以下应力云图可以看出，当对隧道进行分析的时候，X方向应力沿竖向层状排列，最大值为-94117Pa，最小值为-0.500E+07Pa，；Y方向应力沿竖向层状排列，最大值为-43492Pa，最大压应力为-0.172E+07Pa；Z方向应力最大值为-43942Pa，最小值为-0.172E+07Pa；等效应力整体呈层状排列，溶洞处压力较大，最大值为0.407E+07Pa，最小值为47795Pa；第一主应力拉应力最大值为-31407Pa；

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图3-22 X方向的应力图 图3-23 Y方向的应力图

图3-24 第一主应力图 图3-25第三主应力图

3.4 本章小结

本章通过对火车隧道进行有限元分析，通过Ansys进行数值模拟，得出了隧道在未开挖之前、开挖后没加列车荷载之前以及开挖后加了列车荷载之后的位移图和应力图，得出隧道在上述三种情况下的对比，得出了各种情况下各个方向及总的应力和位移大小，通过与许用荷载和许用位移的对比，判断隧道是否安全。通过本次实践，我初步掌握了数值模拟的基本思想和大致过程，也学习到了一些Ansys软件的命令。对自己将来的学习打下了良好的基础。

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第4章 混凝土重力坝静力稳定性分析

4.1 问题描述

表4-1混凝度重力坝尺划分数

长度

划分数

30

5

16

16

16

16

16

H1 106

H2 50

H3 76

L1 18

L2 28

L3 63

L4 50

图4-1几何尺寸图

4.2 ANSYS有限元模型

1、单元属性及材料属性

Shell181 solid45

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表4-2 材料属性参数

弹性模量 混凝土

岩体

2、建模

（1）按照数据算出各点位置的坐标依次输入，共12个点 （2）在两点之间依次点选连成线，共16条线 （3）依次选中4条边围成小面，共5个面 （4）确定划分数，建立网格

（5）建立平面外一点，连接该点与原点，围成如下图的坝体

25GPa

0.22

2.6e-10

2.3MPa

30GPa

泊松比 0.17

度 2400

密

抗拉强度 2.8MPa

抗压强度 35 MPa

55MPa

内聚力 4.5 MPa 6.0 MPa

48°

摩擦角 45°

图4-2模型图

3、施加边界条件 静水压力和惯性力

在不同视角下 用box框选坝的底的各个面分别施加各个面的法向约束，在分别

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定义静水压力和惯性力，再分别在所需的节点上施加荷载，确认后看到红色网线，plot element 可看见红色箭头，并施加重力加速度g=10m/s2。

4.3 静力稳定性分析 4.3.1变形场

根据以下位移云图可以看出，当对重力坝进行静力分析的时候，X方向的位移变化沿坝体方向由下向上依次增大，坝顶最大，最大值为0.13827m；Y方向的位移变化较小，最大值为0.301E-03m；Z方向的位移变化沿坝体竖向层状排列，最大值在坝底以及坝体竖直方向与坝基列接处，相比于X方向位移也较小，最大值为0.00217m；由于Y、Z方向的位移相比于X方向位移较小，所以总的位移沿坝体自上到下依次减小，与X方向位移规律相同，坝顶最大，最大值为0.14411m。

图4-3 X方向位移图 图4-4 Y方向位移图

图4-5 Z方向位移图 图4-6 总的位移图

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4.3.2应力场

根据以下应力云图可以看出，当对重力坝进行静力分析的时候，X方向坝踵周围为拉应力，向右变为压应力并逐渐增大，坝踵处拉应力最大值为0.140E+07Pa，右侧坝体与坝基连接处的最大压应力为920868Pa，；Y方向坝踵周围为拉应力，向右变为压应力并逐渐增大，坝踵处拉应力最大值为764708Pa，右侧坝体与坝基连接处的最大压应力为92984Pa；Z方向坝踵周围为拉应力，向右变为压应力并逐渐增大，坝踵处拉应力最大值为0.307E+07Pa，右侧坝体与坝基连接处的最大压应力为121254Pa；XY面最大剪应力和最小剪应力发生在坝体与坝基的连接处，最大值为232520Pa，最小值为-232520Pa；YZ面最大剪应力和最小剪应力发生在坝体与坝基的连接处，最大值为476176Pa，最小值为-476176Pa；XZ面最大剪应力发生在坝体与坝基的连接处，最小剪应力发生在坝体顶部和坝底部，最大值为0.151E+07P最小值为-4848Pa；第一主应力只有坝踵周围为拉应力并且是最大值，最大值0.114E+07Pa，比抗拉强度2.8MPa小；第三主应力坝体均受压应力，压应力最大在坝趾处，从坝趾沿圆形区域逐渐减小，最大值为42272Pa。比抗压强度35MPa小。

图4-7 X方向应力图 图4-8 Y方向应力图

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图4-9 Z方向应力响应图 图4-10 XY面切应力响应图

图4-11 YZ面切应力响应图 图4-12 XZ面切应力响应图

图4-13 第一主应力图 图4-14 第三主应力图

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4.4 本章小结

本章通过对重力坝的有限元分析，初步了解了混凝土重力坝在分布荷载、自身重力及仰压力作用下的受力和变形，得出了重力坝在多种载荷共同作用下的最大应力和位移值大小，来指导工程实践。通过本次实践，我初步掌握了数值模拟的基本思想和大致过程，也学习到了一些Ansys软件的命令。对自己将来的学习打下了良好的基础。

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第5章 混凝土重力坝动力分析 5.1 基本参数

基本参数：

水平地震影响系数αmax=0.16，重力加速度g=10m/s2，场地特征周期Tg=0.20s；地震动激励方向为水平X向。

表5-1水平地震影响系数最大值

地震影响 多遇地震 罕遇地震

6度 0.04 0.28

7度 0.08（0.12） 0.50（0.72）

8度 0.16（0.24） 0.90（1.20）

9度 0.32 1.40

注：括号中数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区

表5-2特征周期指（s）

设计地震分组

第一组 第二组 第三组

场 地 类 别 Ⅰ0 0.20 0.25 0.30

Ⅰ1 0.25 0.30 0.35

Ⅱ 0.35 0.40 0.45

Ⅲ 0.45 0.55 0.65

Ⅳ 0.65 0.75 0.90

2、图5-1地震影响系数曲线

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心得体会 将ANSYS的学习紧密与工程力学专业结合起来 毫无疑问，刚开始接触ANSYS时，如果对有限元，单元，节点，的基本概念没有清楚的了解话，那么学ANSYS很长一段时间都会感觉还没入门，只是在僵硬的模仿，即使已经了解了，在学ANSYS之前，也非常有必要先反复看几遍书，加深对有限元单元法及其基本概念的理解。 作为工程力学专业的学生，虽然力学理论知识学了很多，但对许多基本概念的理解许多人基本上是只停留于一个符号的认识上，理论认识不够，更没有太多的感性认识。但对于实际的工程问题，有限元模型的建立可以说是一个最重要的问题，而后面的工作变得相对简单。 以上几个方面，只是说明在ANSYS的过程中，不要纯粹的把ANSYS当作一门功课来学，这样是不可能学好ANSYS的，而要针对问题来学，特别是遇到的新问题，首先要看它涉及到那些理论知识，最好能作到有所了解，然后与ANSYS相关设置结合起来，作到心中有数，不至于遇到某些参数设置时，没一点概念，不知道如何下手。工程力学专业更多的偏向于理论，往往觉得学了那么多的力学理论知识没什么用，不知道将来自己能作什么，而学ANSYS实际起到了沟通理论与实践的桥梁作用，使你能够感到所学的知识都能用上，甚至激发出对本专业的热爱。最后谢谢老师在学习软件方面给予我的极大帮助！

课程名称 题目名称 大型工程分析软件及应用 ANSYS建模、静动力计算 按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合工作量、工作态度1 和出勤率 严谨，善于与他人合作。 课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路2 课程设计质量 清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。 工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应3 创新 用价值。 总成绩 评语： 15 55 教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风30

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