“船舶強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)研究

宋 博

（廣州航海學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，廣東廣州510725）

1 課堂概況

“船舶強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)”是一門培養(yǎng)學(xué)生掌握船舶強(qiáng)度校核和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的集中實(shí)踐課程，是集專業(yè)性、理論性和實(shí)用性于一體的專業(yè)必修課。隨著船舶科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、方法都有所改變，尤其是加入了有限元軟件的應(yīng)用，讓學(xué)生更直觀了解船體強(qiáng)度校核的重點(diǎn)位置和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)2周40學(xué)時(shí)集中實(shí)訓(xùn)掌握船舶強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本知識(shí)，了解最新船舶結(jié)構(gòu)規(guī)范，將理論與實(shí)踐應(yīng)用結(jié)合，通俗易懂，并且可以使學(xué)生在短暫的集中實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中，把握現(xiàn)代船舶企業(yè)中船體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新方法和新技術(shù)。

經(jīng)過(guò)近兩年的教學(xué)實(shí)踐觀察，總結(jié)出：通過(guò)重新組織和改革“船舶強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)”課程，使學(xué)生更容易了解本課程對(duì)未來(lái)職業(yè)生涯的實(shí)際作用，進(jìn)而發(fā)揮主觀能動(dòng)性地將以往的理論課程學(xué)習(xí)與實(shí)踐能力素質(zhì)培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)，將任務(wù)轉(zhuǎn)化為有意識(shí)的自主學(xué)習(xí)，教學(xué)效果明顯。

2 課程大綱的修訂

一門合格的課程需要適用的教學(xué)指導(dǎo)文件——教學(xué)大綱。以往的教學(xué)大綱基于傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程和經(jīng)驗(yàn)，理論性強(qiáng)，素材多為雜貨船，內(nèi)容落后，不與時(shí)俱進(jìn)，適用性差。因此，為了提高教學(xué)效果，通過(guò)調(diào)研，整理?xiàng)畲⒅骶幍膰?guó)內(nèi)經(jīng)典教材《船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》，重新修訂了知識(shí)體系更為完整、更貼近生產(chǎn)實(shí)際的新教學(xué)大綱。同時(shí)為了達(dá)到更有效的教學(xué)質(zhì)量，取消了“船體縱向扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度”部分，添加了“有限元法在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用”任務(wù)。

3 講義的編寫與完善

通過(guò)詳細(xì)的調(diào)研和長(zhǎng)期的教學(xué)總結(jié)，在認(rèn)真分析了華南理工大學(xué)、武漢理工大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋工程工程專業(yè)使用教材的基礎(chǔ)上，結(jié)合廣州航海學(xué)院學(xué)生條件和學(xué)校定位以及培養(yǎng)目標(biāo)，重新編寫了“船舶強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)”講義，如表1所示。新講義內(nèi)容上兼顧了傳統(tǒng)經(jīng)典的教學(xué)任務(wù)，也融入了行業(yè)最新的設(shè)計(jì)知識(shí)。

表1 教學(xué)任務(wù)

新的講義包括了4章具體內(nèi)容。第一章介紹了利用靜水力曲線和邦戎曲線，計(jì)算給定工況下船舶靜置在波浪上的靜水剪力與彎矩計(jì)算，波浪附加剪力與彎矩計(jì)算，并利用剪力和彎矩近似估算規(guī)范，進(jìn)行強(qiáng)度校核，計(jì)算實(shí)例分析［1］。第二章總縱強(qiáng)度的直接計(jì)算法，包括船體剖面要素計(jì)算、船體總縱彎曲正應(yīng)力計(jì)算、船體屈曲強(qiáng)度，以及船體極限彎矩的計(jì)算，總縱強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例分析。第三章船體結(jié)構(gòu)規(guī)范法設(shè)計(jì)，包括規(guī)范設(shè)計(jì)基本思路、船體構(gòu)件的基本材料、規(guī)范對(duì)船體縱向強(qiáng)度的要求、設(shè)計(jì)實(shí)例。第四章有限元法在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，包括船體結(jié)構(gòu)有限元模型、載荷計(jì)算、邊界條件、強(qiáng)度準(zhǔn)則、強(qiáng)度分析、屈曲分析、實(shí)船分析［2］。

區(qū)別于理論課教材，本講義的特色之處在于：（1）實(shí)用性。講義的實(shí)用性主要體現(xiàn)在基于船體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本講義必須包括船舶強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)，包括船舶在靜水中以及靜波浪中的外力計(jì)算、內(nèi)力計(jì)算，基于材料力學(xué)彎曲梁的總縱彎曲應(yīng)力計(jì)算，以及基于鋼制海船入級(jí)規(guī)范的船體典型剖面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這些內(nèi)容是完成船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行強(qiáng)度校核的主要內(nèi)容，學(xué)好這些基礎(chǔ)，有助于學(xué)生掌握好船體強(qiáng)度和設(shè)計(jì)的基本概念和方法。在集中兩周的課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，以船廠提供的已建成的船作為母型船，讓學(xué)生親手完成船體典型剖面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行強(qiáng)度校核，設(shè)計(jì)對(duì)象不同于以往一些課程中的設(shè)計(jì)實(shí)例，落后、不合時(shí)宜，不反映現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，相反，作為即將走入社會(huì)、面對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題的大四學(xué)生，應(yīng)培養(yǎng)好應(yīng)用型的技術(shù)。（2）先進(jìn)性。船廠設(shè)計(jì)技術(shù)在更新，設(shè)計(jì)方法在優(yōu)化，要求在教授專業(yè)知識(shí)時(shí)要與時(shí)俱進(jìn)，不僅要秉承經(jīng)典的設(shè)計(jì)方法和理論，還要考慮到行業(yè)發(fā)展的背景，因此本講義加入了船舶結(jié)構(gòu)有限元分析部分，講授利用有限元分析軟件，進(jìn)行整船分析、艙段分析和局部有限元分析。并結(jié)合CSR（國(guó)際船級(jí)社于2006年4月發(fā)布的散貨船共同規(guī)范），結(jié)合1條2萬(wàn)噸級(jí)船廠大于150 m的散貨船，介紹船舶結(jié)構(gòu)屈服和屈曲強(qiáng)度的分析。有限元分析軟件NASTRAN是船舶行業(yè)中的主流軟件，針對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用，有近70種單元的單元庫(kù)，反映了近些年船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展起來(lái)的新內(nèi)容和新方法。

4 “船舶強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)”的優(yōu)化

課程設(shè)計(jì)是本科教學(xué)中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，對(duì)于實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有重要的作用。傳統(tǒng)的船舶強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)根據(jù)理論課知識(shí)重點(diǎn)，通常要求學(xué)生完成兩個(gè)方面內(nèi)容，即利用船舶設(shè)計(jì)規(guī)范，根據(jù)母型船主尺度和結(jié)構(gòu)草圖和設(shè)計(jì)要求，完成設(shè)計(jì)船的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)，確定構(gòu)件尺寸選用合適型材，并繪制典型剖面的中橫剖面結(jié)構(gòu)圖。多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容存在不足，通常一個(gè)教學(xué)班完成的是同一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，缺少團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)成果和選材亦有抄襲情況，不利于學(xué)生真正掌握設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，而且只能涉及一種船型。為了提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率，亦可以訓(xùn)練學(xué)生結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)和橫剖面圖的繪制，在總學(xué)時(shí)不變的前提下，增加了有限元軟件NASTRAN分析工程實(shí)際問(wèn)題中船體局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的內(nèi)容，這種基于問(wèn)題的新的教學(xué)方式，培養(yǎng)的學(xué)生更加具有解決實(shí)際問(wèn)題的能力［3］。

具體改革措施：（1）在新編講義的指導(dǎo)下，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，一個(gè)教學(xué)班級(jí)每4～5個(gè)人分成一個(gè)任務(wù)小組。設(shè)計(jì)任務(wù)都是基于工程實(shí)際，可以是不同的船型，或是同一船型的不同結(jié)構(gòu)形式、不同主尺度、不同噸位，也可以是不同的局部結(jié)構(gòu)（船底板架、舷側(cè)板架或是甲板板架）。（2）任務(wù)小組中設(shè)立組長(zhǎng)，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)負(fù)責(zé)，各成員之間合理分工，通力合作完成課程設(shè)計(jì)的總?cè)蝿?wù)并形成設(shè)計(jì)報(bào)告和匯報(bào)PPT。每個(gè)任務(wù)小組人數(shù)有限，要完成設(shè)計(jì)任務(wù)必須全員參加，合理分配任務(wù)，客觀上解決了以往設(shè)計(jì)任務(wù)敷衍了事、抄襲的現(xiàn)象。在完成任務(wù)的過(guò)程中，督促學(xué)生必須主動(dòng)查閱資料，確定合理的設(shè)計(jì)方法，并且訓(xùn)練了學(xué)生書(shū)寫計(jì)算書(shū)、編輯報(bào)告和辦公軟件的能力，為畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)實(shí)習(xí)打下基礎(chǔ)。（3）為了讓每一個(gè)學(xué)生都參與到具體的設(shè)計(jì)工作，將以往的全船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分解為部分艙段或結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加細(xì)致，便于更好地熟悉規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容和訓(xùn)練學(xué)生對(duì)于典型橫剖面圖的繪制能力。（4）增加了應(yīng)用有限元軟件NASTRAN分析，并完成校核船體局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的內(nèi)容，更加直觀地了解應(yīng)力和變形的分布規(guī)律，如圖1所示。

圖1 典型結(jié)構(gòu)有限元模型

5 結(jié)語(yǔ)

在修訂的新的課程設(shè)計(jì)大綱指導(dǎo)下進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐后，將訓(xùn)練學(xué)生全面使用船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)力學(xué)、船體結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)繪圖等專業(yè)課程的理論知識(shí)來(lái)分析和解決實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)理論計(jì)算、有限元結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)繪圖、查閱文獻(xiàn)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序等，培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)思想和勤奮創(chuàng)新的創(chuàng)新精神，提高他們的專業(yè)素質(zhì)和解決問(wèn)題的能力。

從2017年開(kāi)始，新的教學(xué)計(jì)劃已在船舶和海洋工程專業(yè)的船體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐中使用。從近年來(lái)的實(shí)踐成果來(lái)看，經(jīng)過(guò)課程大綱的修訂和完善，課程內(nèi)容更加接近工程實(shí)際。隨著工程實(shí)踐的發(fā)展，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果得到了很大的提高，綜合能力和素質(zhì)得到了提高。鍛煉后，學(xué)生反饋良好，課程改革取得了良好效果。