結(jié)合工程的材料力學(xué)課程大作業(yè)教學(xué)實踐

宋向榮++萬超++沈超明

摘要：為培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)和應(yīng)用能力，在材料力學(xué)課程教學(xué)中設(shè)計大作業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生進行模型簡化、分析計算、設(shè)計測試方案、測試數(shù)據(jù)處理等，與課程理論緊密聯(lián)系，鍛煉學(xué)生綜合素質(zhì)。以張弦桁架張拉分析為例，從大作業(yè)要求、簡要分析和案例小結(jié)三個方面，細(xì)述大作業(yè)實施過程。最后對教學(xué)實踐中的一些細(xì)節(jié)及大作業(yè)教學(xué)實踐價值進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)；大作業(yè)；教學(xué)方法；工程應(yīng)用

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）16-0166-02

材料力學(xué)課程是工科院校機械工程等較多專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程的特點是理論嚴(yán)密、邏輯性強并且與工程實際緊密聯(lián)系，如何將材料力學(xué)課程教學(xué)與培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力相結(jié)合具有重要意義。近年來，隨著高校教育教學(xué)改革的不斷深入與廣大教師的不斷實踐，越來越重視學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1-6]。筆者在教學(xué)實踐中將工程實踐知識與學(xué)生動手能力和實際應(yīng)用能力相結(jié)合，開發(fā)緊密聯(lián)系工程的課程大作業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生對材料力學(xué)課程知識的綜合應(yīng)用能力和工程素養(yǎng)。

一、材料力學(xué)大作業(yè)的教學(xué)設(shè)計

大作業(yè)的設(shè)計一般要求結(jié)合一定工程背景，提供相應(yīng)圖紙、參數(shù)、工作原理等，鍛煉學(xué)生讀懂圖紙、提煉力學(xué)模型的能力；大作業(yè)的內(nèi)容結(jié)合專業(yè)知識、工程實例或相關(guān)后續(xù)課程，列出一定的參考書及參考文獻，需要學(xué)生學(xué)會閱讀，自主學(xué)習(xí)；大作業(yè)的設(shè)計最好采取開放式的結(jié)論，給定設(shè)計參數(shù)讓學(xué)生分析研究方案，或給定必要功能進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)計。限于篇幅這里僅列舉某張弦桁架張拉過程分析得工程案例案例。

1.某桁架結(jié)構(gòu)張拉應(yīng)力測試與分析案例。某體育館張弦桁架屋蓋結(jié)構(gòu)，最大跨度115米，單榀最大重量約128噸。以某一榀桁架為例，可簡化為由屋蓋主桁架、撐桿和張弦等三部分組成的平面桁架，如圖1b所示。屋蓋組裝完成后，通過張拉機構(gòu)收緊張弦AB，使屋蓋主桁架DABE起拱至設(shè)計高度，屋蓋成形。

2.作業(yè)要求。①某一榀桁架簡化為平面桁架，由設(shè)計圖紙給定各節(jié)點坐標(biāo)。在施工過程中，張弦AB兩端同時張拉，撐桿上端與主桁架鉸接，下端與張弦間可自由滑動，并能保證撐桿始終保持豎直。試分析該平面桁架的超靜定次數(shù)。②求解該超靜定結(jié)構(gòu)。假設(shè)已知主桁架的抗彎剛度EI，軸力和剪力引起的變形忽略，重力均勻分布。③已知主桁架總重105噸，索重67.4kG/m，忽略撐桿重。各節(jié)點應(yīng)力及跨中撓度由實測給定。試計算主桁架的近似抗彎剛度。

3.簡要分析。由材料力學(xué)知識分析，該結(jié)構(gòu)可簡化為一次超靜定結(jié)構(gòu)，去除張弦得到其靜定基如圖2。

撐桿的內(nèi)力F■（i=1，2，…，9）可由分析節(jié)點D■的平衡方程求得。由于對稱性，取左側(cè)一半節(jié)點分析，其受力圖如圖3。

角度θ■由原始尺寸計算，平衡方程為：

F■cosθ■=F■cosθ■

（i=1，2，3，4） （1）

F■sinθ■-F■sinθ■-F■=0

（i=1，2，3，4） （2）

F■=2F■sinθ■ （3）

由于對稱性，有F■=F■，F(xiàn)■=F■，由此，所有撐桿的內(nèi)力都用F■表示。

變形協(xié)調(diào)條件為重力和張力共同作用下U■點的撓度為零，即可求得張弦的張力與重力之間的關(guān)系。

4.案例小結(jié)。這是一個實際工程問題，考查了學(xué)生以下方面的知識和能力：（1）考查了學(xué)生對超靜定結(jié)構(gòu)的分析能力，和解決超靜定問題的能力。（2）該案例是工程實際問題的簡化模型，但實測數(shù)據(jù)來自工程，在理論分析與工程測試之間的關(guān)系上，考查學(xué)生綜合分析解決問題的能力。（3）由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對于張弦結(jié)構(gòu)、張弦施工、胎架等工程問題，學(xué)生沒有接觸過，考查了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和理解能力。

二、材料力學(xué)大作業(yè)的實踐價值

材料力學(xué)大作業(yè)的教學(xué)實踐引入了大量工程問題，引導(dǎo)學(xué)生在模型簡化、設(shè)計圖紙解讀、試驗方案等方面學(xué)習(xí)工程知識的同時，進一步加深理解了材料力學(xué)課程與工程應(yīng)用的聯(lián)系。材料力學(xué)大作業(yè)的實施讓學(xué)生充分認(rèn)識到材料力學(xué)作為基本理論分析手段在工程應(yīng)用中的重要性。由于條件限制，不可能讓很多同學(xué)參與工程項目研究；并且學(xué)生還沒有有限元基礎(chǔ)，分析手段略有欠缺，但通過對實測數(shù)據(jù)的分析與處理，同樣起到鍛煉學(xué)生分析解決問題的能力。在材料力學(xué)課程教學(xué)過程中，結(jié)合實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)是當(dāng)代大學(xué)教育改革的一個顯然趨勢，很多教師和同行都提出了許多很好的方法。本文僅是教學(xué)過程中的一個小的實踐，在結(jié)合工程實際合理選題、優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容與課外學(xué)習(xí)之間的關(guān)系、培養(yǎng)和調(diào)動學(xué)生參與積極性等方面還需要不斷改進，作者希望通過本文起到一個拋磚引玉的作用，希望得到同行的批評指正。

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