金屬結(jié)構(gòu)課程中穩(wěn)定性問(wèn)題教學(xué)研究

張楠

摘? 要 結(jié)合多年的工程機(jī)械類課程金屬結(jié)構(gòu)的桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出將軟件應(yīng)用、實(shí)際工程和課程理論教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法，主要講述把ANSYS計(jì)算機(jī)工程軟件應(yīng)用于起重臂桁架結(jié)構(gòu)教學(xué)中，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)理論計(jì)算能力和工程創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 金屬結(jié)構(gòu);桁架結(jié)構(gòu);工程軟件;ANSYS

Abstract In the teaching experience of the truss structure stability of the Metal Structure of the engineering machinery course for many years， a teaching method combining software application， practical engineering and course theory teaching was proposed. This paper mainly describes the application of ANSYS computer engineering software to the teaching of the jib truss structure. The teaching me-thod will greatly improve students engineering practice ability， engi-neering design theory calculation ability and engineering innovation ability.

Key words metal structure; truss structures; engineering software; ANSYS

1 課程介紹

金屬結(jié)構(gòu)是工程機(jī)械裝備的主要內(nèi)容，它直接影響工程機(jī)械設(shè)備的工作性能指標(biāo)，也是機(jī)械裝備理論設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性課程之一。桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題是金屬結(jié)構(gòu)課程的主要內(nèi)容。桁架結(jié)構(gòu)中的桁架指的是格構(gòu)式構(gòu)件的一種梁式結(jié)構(gòu)。桁架構(gòu)件在建筑工程中應(yīng)用廣泛，同時(shí)應(yīng)用在工程機(jī)械裝備領(lǐng)域，如塔式起重機(jī)臂架就是桁架結(jié)構(gòu)。桁架主要是由桿件通過(guò)對(duì)接焊縫和角焊縫連接起來(lái)，或以鉚接或螺栓連接而成的支撐橫梁的空間桁架結(jié)構(gòu)。另外，桁架也有一些由支鏈桿組成，大多數(shù)是連接成三角形的平面結(jié)構(gòu)或空間體系結(jié)構(gòu)。桁架結(jié)構(gòu)主要承受力為桿件承受的軸力（受到壓力和拉力）。其優(yōu)點(diǎn)是能充分利用構(gòu)件的強(qiáng)度、節(jié)省材料，減輕自重和增大剛度。如在跨度較大時(shí)，桁架比其他的梁（如實(shí)腹梁）用的材料更少，剛度更強(qiáng)[1]。

穩(wěn)定性是桁架結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)，也是教學(xué)中的難點(diǎn)[2-3]。桁架的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性是很復(fù)雜的問(wèn)題，與橫梁的強(qiáng)度校核相比，桁架穩(wěn)定性問(wèn)題更加抽象且整體穩(wěn)定性校核的公式更加復(fù)雜，使學(xué)生難以掌握和理解。因此，桁架的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性問(wèn)題是教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)[4-6]。

在現(xiàn)代教學(xué)課程中，桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性教學(xué)大多數(shù)以課堂講解理論知識(shí)為主，以例題講解和課程設(shè)計(jì)為輔。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，對(duì)于桁架構(gòu)件的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性，單靠課堂理論講解很難讓學(xué)生理解并掌握它。因此，筆者提出采取工程ANSYS軟件仿真與理論教學(xué)相結(jié)合、實(shí)際工程和課程理論教學(xué)相結(jié)合、傳統(tǒng)理論方法和計(jì)算機(jī)軟件模擬相結(jié)合的教學(xué)方法。這類教學(xué)模式需要教師有“桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性”和“工程機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)綜合課程設(shè)計(jì)”的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)需要具有一定的金屬結(jié)構(gòu)課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并且具備運(yùn)用工程軟件分析桁架設(shè)備的工程項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，把工程軟件應(yīng)用在桁架穩(wěn)定性教學(xué)中，對(duì)促進(jìn)學(xué)生工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)理論計(jì)算能力的提高具有積極作用。

2 ANSYS軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

桁架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的公式比較復(fù)雜，理論更加抽象，在課堂上用傳統(tǒng)的理論教學(xué)方法讓學(xué)生全面理解穩(wěn)定性問(wèn)題相對(duì)來(lái)說(shuō)比較困難。因此，把ANSYS工程軟件應(yīng)用在教學(xué)中，使學(xué)生更好地理解桁架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。工程軟件ANSYS是工程機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)所需要掌握的軟件，學(xué)生可以通過(guò)使用ANSYS工程軟件分析桁架來(lái)理解桁架穩(wěn)定性。為適應(yīng)新形勢(shì)下工程機(jī)械專業(yè)教育的發(fā)展，需要系統(tǒng)和完整地將工程軟件ANSYS分析和金屬結(jié)構(gòu)中的桁架結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容真正結(jié)合起來(lái)。這就需要利用工程軟件ANSYS系統(tǒng)地計(jì)算分析桁架構(gòu)件的內(nèi)力和穩(wěn)定性問(wèn)題，才能將軟件應(yīng)用和理論教學(xué)真正結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)最合適的教學(xué)方法。

具體設(shè)想為：以工程機(jī)械專業(yè)學(xué)生為研究對(duì)象，在課堂理論教學(xué)中系統(tǒng)地應(yīng)用工程軟件ANSYS展示桁架的分析結(jié)果，將軟件應(yīng)用和理論教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式與其他教學(xué)方法有機(jī)融合，再結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題和教學(xué)效果的反饋，對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行逐步完善，形成一套完善的教學(xué)方法。教學(xué)過(guò)程中的具體思路如下：

1）應(yīng)用工程軟件分析出桁架的性能圖片，再通過(guò)桁架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性知識(shí)講解，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，以達(dá)到預(yù)期的效果;

2）將工程軟件ANSYS的基本操作步驟添加在桁架的學(xué)習(xí)過(guò)程中，應(yīng)用ANSYS分析桁架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力和穩(wěn)定性例題，并與理論計(jì)算內(nèi)力相對(duì)比，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生帶著興趣學(xué)習(xí)，可以取得非常良好的效果;

3）課上演示軟件操作步驟，課后讓學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行軟件操作，提高學(xué)生興趣的同時(shí)，加深掌握金屬結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)，更鍛煉學(xué)生的工程軟件應(yīng)用能力，提升學(xué)生對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性理論的興趣。

3 工程實(shí)際和課程理論教學(xué)相結(jié)合

桁架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要組成。為加深學(xué)生對(duì)桁架整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性理論知識(shí)的理解，必須使學(xué)生了解桁架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的重要作用，由此需要把工程實(shí)際和課程理論教學(xué)相結(jié)合，在再結(jié)合平時(shí)積累的教學(xué)素材，整理出桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題的教學(xué)內(nèi)容例證。

1）利用工程軟件解決實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題，呈現(xiàn)出機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。不考慮結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的局部缺陷，也不考慮結(jié)構(gòu)整體或部分失穩(wěn)導(dǎo)致整個(gè)桁架梁應(yīng)力重新分布，繪制桁架梁的應(yīng)力圖。利用圖片展示和講解說(shuō)明，利用工程軟件繪制箱型梁受彎構(gòu)件的內(nèi)力圖。

2）下面計(jì)算純彎曲載荷下桁架梁的失穩(wěn)彎曲的情況，通過(guò)圖片可以發(fā)現(xiàn)桁架梁的腹板與翼緣板都發(fā)生失穩(wěn)。但是由于翼緣板寬度比腹板小很多（本例中腹板和翼緣板厚度相同，翼緣板的寬厚比遠(yuǎn)小于腹板的寬厚比），因此，翼緣板的臨界失穩(wěn)載荷比腹板大。

以塔式起重機(jī)臂架工程實(shí)際為例，采用工程軟件ANSYS對(duì)工程實(shí)際中起重臂桁架的內(nèi)力、整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并把其分析內(nèi)容應(yīng)用到課程教學(xué)中。具體例子如利用工程軟件解決桁架結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題，呈現(xiàn)出機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。

首先在工程軟件ANSYS中建立臂架桁架結(jié)構(gòu)的模型如圖1所示;在不考慮結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的局部缺陷時(shí)，工程軟件繪制的臂架桁架的變形穩(wěn)定性分布如圖2所示。

4 傳統(tǒng)理論教學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件分析相結(jié)合

傳統(tǒng)的桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性教學(xué)方案大多偏重理論，使學(xué)生難以理解且興趣不高。在傳統(tǒng)教學(xué)方式中，理論知識(shí)在實(shí)際工程中的應(yīng)用一直是本科教學(xué)中的重點(diǎn)要求，使學(xué)生更好地掌握知識(shí)，讓學(xué)生能夠理解桁架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的知識(shí)。但這在一定程度上阻礙了教學(xué)改革發(fā)展，同時(shí)導(dǎo)致許多學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力較為薄弱。

黑板板書是課堂教學(xué)的傳統(tǒng)方式，但隨著計(jì)算機(jī)多媒體的發(fā)展，多媒體教學(xué)和黑板板書相結(jié)合的教學(xué)方式也越來(lái)越受到廣大師生的歡迎。在現(xiàn)代教學(xué)方式中，把多媒體和板書相結(jié)合的教學(xué)方式對(duì)傳統(tǒng)理論教學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件分析相結(jié)合的教學(xué)方法有著重要啟示。因此，在桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性教學(xué)探索中，在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該將傳統(tǒng)理論教學(xué)和計(jì)算機(jī)ANSYS軟件分析結(jié)合在一起，進(jìn)行桁架穩(wěn)定性理論推導(dǎo)。

如將塔式起重機(jī)臂架這類桁架結(jié)構(gòu)的桿件穩(wěn)定性過(guò)程用ANSYS工程計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用制作成三維動(dòng)畫，在桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和彎扭問(wèn)題通過(guò)高清攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)操作進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，并利用工程軟件分析和操作桁架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)的變形和應(yīng)力狀態(tài)。工程軟件ANSYS操作步驟如下：

1）定義單元類型，選擇單元類型，臂架優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)選用BEAM188，因?yàn)槠溥m用于分析厚梁結(jié)構(gòu)/細(xì)長(zhǎng)到中等粗短;

2）定義單元的類型并輸入實(shí)際的參數(shù)，即臂架梁?jiǎn)卧慕孛鎱?shù)，在下面的圖片示意中選擇相應(yīng)選項(xiàng)定義材料的屬性，如密度、彈性模量、泊松比等，并輸入相對(duì)應(yīng)的值;

3）塔機(jī)臂架的模型結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較簡(jiǎn)單的，只需要在ANSYS的三維坐標(biāo)系中按照順序依次輸入各個(gè)節(jié)點(diǎn)所在的坐標(biāo)位置，然后將每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)根據(jù)建模需要連接成直線即可（在建模前要對(duì)塔式起重機(jī)臂架的形狀有一個(gè)很深入的了解，這樣才能快速又準(zhǔn)確地列出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)）;

4）用直線把所有關(guān)鍵點(diǎn)連接起來(lái)，并對(duì)線進(jìn)行單元的劃分;

5）得到的解越精確，就越需要對(duì)臂架進(jìn)行更多的單元?jiǎng)澐?，定義每條直線需要?jiǎng)澐值木W(wǎng)格數(shù)是第一步，并進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，形成網(wǎng)格;

6）施加載荷與約束，在臂架與塔身連接處定義好約束，臂架在豎直平面內(nèi)還要受到自身重力影響，臂架自重通過(guò)密度及重力加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，水平平面內(nèi)受風(fēng)載荷以及回轉(zhuǎn)慣性力，風(fēng)載荷通過(guò)均布載荷的添加來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在傳統(tǒng)理論教學(xué)中，授課教學(xué)過(guò)程中往往是教師占據(jù)主導(dǎo)位置，學(xué)生都是被動(dòng)學(xué)習(xí)，相對(duì)來(lái)說(shuō)課堂相對(duì)枯燥乏味，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性非常不利。在進(jìn)行桁架穩(wěn)定性教學(xué)時(shí)不能被動(dòng)式教育，而教學(xué)中的主要任務(wù)是讓學(xué)生在理論教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行工程軟件實(shí)際操作等，讓學(xué)生能夠去理解和掌握桁架的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性問(wèn)題，應(yīng)逐步培養(yǎng)學(xué)生能夠解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。將傳統(tǒng)理論教學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件分析相結(jié)合，要讓學(xué)生能夠完全掌握和理解桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在工程機(jī)械中的實(shí)際應(yīng)用，使得學(xué)生能夠?qū)⒄n堂所學(xué)運(yùn)用到實(shí)際中。

5 結(jié)語(yǔ)

本文著重于工程機(jī)械類課程金屬結(jié)構(gòu)中的桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題，結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探索出切實(shí)可行的軟件應(yīng)用與理論教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方案。該教學(xué)方案將實(shí)際工程問(wèn)題和課程理論、ANSYS工程軟件分析相結(jié)合，并在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行逐步完善。該方案將對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力和工程創(chuàng)新能力的提高具有積極作用。

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