機械專業(yè)結(jié)構(gòu)力學課程的地位及其內(nèi)容設(shè)置探討

□ 郭空明 徐亞蘭 段清娟

一、結(jié)構(gòu)力學課程現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)力學是一門研究結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性以及動力學特性的古老學科，是土木建筑類和機械類專業(yè)的重要課程。廣義上其研究對象覆蓋桿、梁、板、殼、體等結(jié)構(gòu)，在土木、航天、航空、船舶、機械等領(lǐng)域都有著重要作用。

由于課程學時有限，通常這門課的研究對象只包括桿、梁組成的桁架和剛架結(jié)構(gòu)。教材的內(nèi)容設(shè)置偏向土木建筑類專業(yè)。因此，目前結(jié)構(gòu)力學課程在國內(nèi)大多數(shù)高校機械類專業(yè)的培養(yǎng)計劃中，只是列為選修課?！敖Y(jié)構(gòu)力學=土木”的觀念根深蒂固，甚至一些高校的力學專業(yè)必修課中也不包括結(jié)構(gòu)力學。

航天、航空、船舶等專業(yè)，往往針對學科特點自設(shè)相關(guān)結(jié)構(gòu)力學課程，如飛行器結(jié)構(gòu)力學、船舶結(jié)構(gòu)力學等等，這些課程自然作為必修課程。而對于機械專業(yè)而言，由于其研究對象主要為機構(gòu)，結(jié)構(gòu)力學一般僅作為選修課程，只講授一些桁架、剛架結(jié)構(gòu)的靜力學特性，這更加深了廣大師生對這門課的偏見。

本文指出，結(jié)構(gòu)力學作為力學課程的一塊重要拼圖，是不可或缺的。隨著現(xiàn)代機械的發(fā)展，機構(gòu)的強度和剛度問題也需要訴諸結(jié)構(gòu)力學知識進行解決。而針對課程內(nèi)容設(shè)置方面，一方面應(yīng)強化能量原理這種基礎(chǔ)知識，另一方面要突出電算技術(shù)的運用，適當刪減一些涉及手算方法的內(nèi)容。

二、結(jié)構(gòu)力學課程在機械類專業(yè)中的地位

(一)結(jié)構(gòu)力學課程是力學課程的重要組成部分。力學課程的特點是各門課之間相關(guān)性很強，形成一個密不可分的有機體。除了流體力學等個別課程獨立性較強外，其它課程無論去掉其中任何一門課，都會給剩余課程的授課帶來不便。具體到結(jié)構(gòu)力學這門課程，則與以下機械類專業(yè)中開設(shè)的力學課程發(fā)生關(guān)聯(lián):一是理論力學:理論力學的靜力學部分是結(jié)構(gòu)力學的基礎(chǔ)。同時結(jié)構(gòu)力學中的虛功原理是虛位移原理的延伸。二是材料力學:材料力學研究桿件的強度、剛度、穩(wěn)定性，而結(jié)構(gòu)力學內(nèi)容包括桁架、剛架的強度、剛度和穩(wěn)定性，因此結(jié)構(gòu)力學可視為材料力學的后續(xù)課程。三是振動力學:結(jié)構(gòu)力學中的動力學部分是振動力學課程的進一步延伸。四是分析力學:分析力學中的第二類拉格朗日方程和哈密頓原理，是結(jié)構(gòu)動力學建模的主要方法。五是有限元:有限元方法的思想就是將連續(xù)體離散，然后用結(jié)構(gòu)力學的矩陣方法進行求解。結(jié)構(gòu)力學課程中一般也包括桁架和剛架的有限元分析。

從上述的分析來看，結(jié)構(gòu)力學主要起到“承上”的作用，它是一些課程如材料力學、振動力學的后續(xù)課程，同時它還將大量力學課程的知識串聯(lián)在一起，綜合運用。因此結(jié)構(gòu)力學課程不但是學生先修課程的重要鞏固，還培養(yǎng)了學生綜合運用各門力學課程的能力，其重要性無需多言。

(二)結(jié)構(gòu)力學課程在機械學科中的作用。機械學科以機構(gòu)為研究對象。機構(gòu)和結(jié)構(gòu)一樣，存在強度、剛度等問題。由于傳統(tǒng)的機械設(shè)計中只考慮單個零件如螺釘、蝸桿、軸等的強度、剛度問題，因此使用材料力學知識就已足夠。

隨著現(xiàn)代機構(gòu)向大型化、高速化、輕柔化、精密化發(fā)展，傳統(tǒng)基于零部件的分析方法已不能滿足實際需要。目前對于機構(gòu)的強度和剛度分析，通常的做法是分析機構(gòu)處于某個瞬時位姿的對應(yīng)結(jié)構(gòu)，將此刻機構(gòu)的對應(yīng)位姿狀態(tài)當成一個固定的結(jié)構(gòu)，增加慣性力后應(yīng)用結(jié)構(gòu)的分析方法來進行分析。另外一些機構(gòu)在某些工作狀態(tài)會鎖定成為結(jié)構(gòu)，比如飛機起落架，當其放下，處于死鎖位置時，如要分析此時是否滿足強度及剛度要求，則需要將其當作一個結(jié)構(gòu)件來進行分析。最后還有目前廣泛使用的可展開機構(gòu)，或是柔索機構(gòu)，當其處于展開狀態(tài)，或是索受力張緊時，就形成一定的固定形態(tài)的結(jié)構(gòu)，此時也需要應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學分析方法來分析。

三、機械類專業(yè)結(jié)構(gòu)力學課程內(nèi)容設(shè)置探討

結(jié)構(gòu)力學課程授課內(nèi)容一般從以下內(nèi)容中進行選擇:(1)幾何構(gòu)造分析;(2)能量原理;(3)靜定桁架內(nèi)力;(4)靜定剛架內(nèi)力;(5)能量原理求解位移;(6)影響線;(7)超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析;(8)結(jié)構(gòu)矩陣分析(有限元);(9)結(jié)構(gòu)動力學;(10)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。

針對機械類專業(yè)現(xiàn)狀以及結(jié)構(gòu)力學發(fā)展趨勢，這10部分內(nèi)容可以作如下取舍，以滿足少學時(如32學時)的要求:(1)幾何構(gòu)造分析:這部分內(nèi)容與《機械原理》中的自由度分析原理相似，因此可以做簡要介紹，不要講解大量復雜的例題。(2)能量原理:彈性體的能量原理是力學原理的精華部分，這部分內(nèi)容不但將作為本課程后續(xù)內(nèi)容的基礎(chǔ)，其內(nèi)容還可以用在振動力學、分析力學、有限元等課程中，因此將作為重點講解。(3)桁架內(nèi)力:這部分內(nèi)容為手算內(nèi)容，且一般都已在理論力學中進行了講解，所以可以不講。(4)剛架內(nèi)力:這部分內(nèi)容是材料力學的延伸，需要做簡單講解，但不要涉及太復雜的例題。(5)能量原理求解位移:這部分內(nèi)容是能量原理的具體應(yīng)用，其廣義力、廣義位移的概念可與分析力學相關(guān)概念進行類比，因此需要進行一定學時的講解。(6)影響線:該部分內(nèi)容土木建筑的背景較濃，因此可不講。(7)超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析:由于有限元方法(位移法)是目前的主流方法，因此可以只對力法求解超靜定結(jié)構(gòu)進行簡單介紹。(8)結(jié)構(gòu)矩陣分析:這部分內(nèi)容是這門課的重點，包括桁架結(jié)構(gòu)有限元方法和剛架結(jié)構(gòu)有限元方法。對于剛架結(jié)構(gòu)有限元方法，由于有了桁架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，學時數(shù)可略微減少。如果學生在其它課程中接觸過Ansys等工程軟件，也可以對運用Ansys求解結(jié)構(gòu)力學問題的方法進行介紹。(9)結(jié)構(gòu)動力學:這部分內(nèi)容雖然對工程應(yīng)用有重要意義，但其中的絕大部分內(nèi)容學生在振動力學課程中都已學過，因此這部分內(nèi)容只需講授單元質(zhì)量陣的生成，對其它內(nèi)容做簡單回顧和適當補充即可。(10)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析:對于傳統(tǒng)的幾何剛度矩陣方法的適用性，學術(shù)界存在爭議，因此這部分內(nèi)容可不講授。

總之，課程內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)淡化土木背景手算技巧，突出基本原理和電算方法。因此，以32學時為例，教學計劃可做如下設(shè)置:(1)緒論:2學時。(2)幾何構(gòu)造分析:2學時。(3)能量原理:5學時。(4)剛架內(nèi)力:2學時。(5)能量原理求解位移:4學時。(6)力法求解超靜定問題:2學時。(7)桁架結(jié)構(gòu)矩陣分析:8學時。(8)剛架結(jié)構(gòu)矩陣分析:5學時。(9)結(jié)構(gòu)動力學:2學時。

四、結(jié)語

結(jié)構(gòu)力學作為力學課程的重要組成部分，也是機械強度、剛度分析的基礎(chǔ)，在機械類課程中應(yīng)當?shù)玫较鄳?yīng)的重視。另外針對學科發(fā)展和機械專業(yè)特點，對如何設(shè)置結(jié)構(gòu)力學課程的內(nèi)容進行了探討，以期這門課程在新時期機械專業(yè)的教學中充分發(fā)揮作用，同時煥發(fā)新的活力。

［1］龍馭球，包世華，匡文起等.結(jié)構(gòu)力學 I——基本教程［M］.北京:高等教育出版社，2001

［2］孫煥純，許強，李湘沅.框架結(jié)構(gòu)的線性歐拉穩(wěn)定理論［J］.應(yīng)用力學學報，2008