軍隊(duì)院校工程力學(xué)教學(xué)引入武器裝備的案例剖析

陳萍　田爽

【摘? 要】基于軍隊(duì)院校的工程力學(xué)課程不僅是機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，理論抽象、應(yīng)用廣泛，同時(shí)還需要緊貼專業(yè)、緊貼部隊(duì)、聚焦實(shí)戰(zhàn)、以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向來開展。而將武器裝備實(shí)例引入到工程力學(xué)教學(xué)中是一種行之有效的教學(xué)方法。本文通過工程力學(xué)課程靜力學(xué)專題中的平面任意力系平衡方程的武器裝備實(shí)例說明工程力學(xué)教學(xué)引入武器裝備的方法。

【關(guān)鍵詞】工程力學(xué);武器裝備實(shí)例;平面任意力系平衡方程

1.前言

工程力學(xué)課程是軍隊(duì)院校相關(guān)專業(yè)本科學(xué)員必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是連接基礎(chǔ)知識(shí)和武器裝備知識(shí)的紐帶，理論緊密聯(lián)系工程實(shí)際，能解決工程實(shí)際問題。然而大部分教材所列舉的實(shí)例是生活或工程實(shí)例，與武器裝備脫軌，與軍隊(duì)院校教學(xué)改革不符。作為軍校教員，在教學(xué)中需要將抽象的理論知識(shí)與實(shí)際武器裝備緊密結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)員將實(shí)際問題抽象力學(xué)模型的能力，提高學(xué)員力學(xué)理論應(yīng)用于武器裝備的工程意識(shí)，提高學(xué)員發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

2.武器裝備實(shí)例

剛性炮架火炮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。下面運(yùn)用平面任意力系平衡方程求解出火炮射擊時(shí)保持靜止和穩(wěn)定所需要滿足的條件。

分析：在教學(xué)中，首先播放剛性炮架火炮射擊時(shí)發(fā)生不靜止性和不穩(wěn)定問題的視頻，引出問題，由案例本身的工程背景吸引學(xué)員的注意力，讓學(xué)員思考如何解決這一問題，使學(xué)員的被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。其次建立力學(xué)模型?！豆こ塘W(xué)》教材中大部分的例子和習(xí)題給出的結(jié)構(gòu)圖是已經(jīng)簡(jiǎn)化好了的力學(xué)模型，施加在非自由體上的約束大都是常見的標(biāo)準(zhǔn)約束類型，這很容易忽略學(xué)員從工程實(shí)際的原始問題如何抽象力學(xué)模型這個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的訓(xùn)練。而實(shí)際上武器裝備受到的約束往往并不都是常見的標(biāo)準(zhǔn)約束類型，此時(shí)就需要加強(qiáng)抽象力學(xué)模型的訓(xùn)練，讓學(xué)員體會(huì)到從實(shí)物到力學(xué)模型抽象、理論分析的過程。然后，根據(jù)剛性炮架火炮的受力情況，列出平面任意力系的平衡方程，分析平衡方程的求解結(jié)果得出火炮射擊時(shí)的靜止條件和穩(wěn)定條件。最后，用實(shí)際例子定量分析出剛性炮架火炮笨重、機(jī)動(dòng)性太差，并且提出解決這一問題的措施，在炮身與炮架之間安裝反后坐裝置。通過這種引入武器裝備的案例式教學(xué)不僅將工程力學(xué)理論與武器裝備實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合起來，還激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)員在學(xué)習(xí)中不再覺得是公式的簡(jiǎn)單套用，而是將工程力學(xué)應(yīng)用化，把實(shí)際軍事裝備問題抽象為力學(xué)模型，并解決軍事裝備實(shí)際工程問題。

解答：第一步：取整個(gè)剛性炮架火炮為研究對(duì)象。第二步：分析受力情況，先是主動(dòng)力，全炮重力Qz、膛底合力Pt;再是約束力，分析整體的約束力只需要找火炮整體與固定面的接觸點(diǎn)處的力，即A、B兩點(diǎn)處的約束力。A處是光滑面約束，屬于常見的標(biāo)準(zhǔn)約束類型，約束力FNA沿著接觸點(diǎn)A公法線且指向受約束體，是一個(gè)豎直向上的支持力。而B點(diǎn)處不是常見的標(biāo)準(zhǔn)約束類型，此時(shí)需要抽象力學(xué)模型。從圖1可以看出土壤既限制駐鋤水平方向的位移，又限制駐鋤豎直向下方向的位移，根據(jù)約束力方向與所限制的非自由體位移方向相反，可以得出B處的約束力為一個(gè)沿著水平方向的力FTB和一個(gè)豎直向上的力FNB。這5個(gè)力構(gòu)成了一個(gè)平面任意力系，通過平面任意力系平衡方程求解出約束力。第三步：列平衡方程。平面任意力系有三個(gè)獨(dú)立的平衡方程。

通過這兩個(gè)條件來設(shè)計(jì)某型號(hào)剛性炮架火炮，已知該火炮的基本參數(shù)為膛底合力Pt=1484kN，全炮重力Qz=17.25kN，駐鋤支點(diǎn)B到膛線的距離h=0.935m，設(shè)土壤所提供的抗力為P=0.45MPa。根據(jù)靜止條件和穩(wěn)定條件代入數(shù)值計(jì)算得出，要想使火炮不向后移動(dòng)、車輪不離地跳動(dòng)，就需要1.65m2的駐鋤、80m的大架或35t的質(zhì)量，顯然這樣子的火炮太笨重、機(jī)動(dòng)性太差。隨著火炮威力的增大，剛性炮架火炮的威力與速射性、機(jī)動(dòng)性的矛盾顯得非常突出。解決這一矛盾的方法就是在炮身與炮架之間安裝反后坐裝置，通過它將炮身與炮架彈性地連接起來。把這種帶有反后座裝置的火炮稱為彈性炮架火炮。彈性炮架火炮射擊時(shí)，炮身相對(duì)于炮架作后坐運(yùn)動(dòng)，而反后坐裝置提供后坐阻力R，R是膛底合力Pt的1/15～1/30。在后坐行程中克服慣性阻力做功消耗大部分后坐動(dòng)能，小部分被復(fù)進(jìn)機(jī)貯存用于使炮身復(fù)進(jìn)到原位。在后坐復(fù)進(jìn)行程中，炮架基本不動(dòng)，反后座裝置起到非常大的緩沖功能，大大減小炮架的受力。如果采用基本參數(shù)與上述剛性炮架火炮一致的彈性炮架火炮，計(jì)算得出駐鋤面積和大架長(zhǎng)度均為原來的1/20，加入反后座裝置，使得炮架的受力大大減小，大幅度減輕全炮質(zhì)量，提高發(fā)射速度，較好解決火炮威力提高與機(jī)動(dòng)性下降的矛盾。

3結(jié)束語

軍隊(duì)院校教育需要以部隊(duì)需求為牽引而培養(yǎng)人才，堅(jiān)持把為戰(zhàn)教戰(zhàn)作為教學(xué)的基本任務(wù)，工程力學(xué)作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，軍事裝備應(yīng)用廣泛，教學(xué)過程中需要引入武器裝備實(shí)例，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)員將實(shí)際工程問題抽象為力學(xué)模型的訓(xùn)練，使學(xué)員對(duì)工程力學(xué)知識(shí)的用途有更深層次的認(rèn)識(shí)，提高工程意識(shí)。作為工程力學(xué)教員廣泛收集武器裝備課程中的相關(guān)力學(xué)問題，提煉出適合工程力學(xué)過程的軍事裝備案例，融入到教學(xué)中。

參考文獻(xiàn)：

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