兵器專業(yè)基礎(chǔ)力學(xué)課程體系改革的思考

付佳維 陳龍淼 趙鵬舉

摘 ?要：高等院校的兵器類專業(yè)承擔(dān)著為兵器行業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重任，在新工科改革形勢(shì)下，優(yōu)化專業(yè)培養(yǎng)方案，加強(qiáng)創(chuàng)新能力培養(yǎng)，提升人才質(zhì)量，支撐兵器行業(yè)發(fā)展，勢(shì)在必行。結(jié)合新工科的創(chuàng)新本質(zhì)要求和力學(xué)的雙重屬性，文章提出了對(duì)兵器專業(yè)學(xué)生強(qiáng)化力學(xué)素質(zhì)教育的觀點(diǎn)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有培養(yǎng)方案中基礎(chǔ)力學(xué)課程體系主要缺陷的分析，提出了改革兵器專業(yè)基礎(chǔ)力學(xué)教育的三點(diǎn)思路：一是重視力學(xué)教育，優(yōu)化力學(xué)課程體系，適度增加力學(xué)課程課時(shí)量;二是緊緊抓住固體力學(xué)在力學(xué)教學(xué)中的核心地位，開(kāi)設(shè)固體力學(xué)基礎(chǔ)課程，培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)建模能力;三是開(kāi)設(shè)力學(xué)前沿選修課，開(kāi)闊學(xué)生視野，提高科研能力。

關(guān)鍵詞：兵器專業(yè);新工科;力學(xué);課程改革

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2021）18-0127-04

Abstract： The weapon majors in colleges and universities take the responsibility for training creative talents for weapon industry. To meet the reformation requirements of "new engineering"， it is imperative to optimize the training program of weapon majors and enhance the innovation ability of talents to achieve higher qualities. By comparing the innovation nature of emerging engineering with the dual properties of mechanics， it is proposed in current paper that the mechanics ability of students in weapon majors should be enhanced. After analyzing the disadvantages of mechanics curriculums in the current training program， three suggestions are put forward to reform the main courses in mechanics. Firstly， the education on mechanics should be taken enough care of， the contents of mechanics courses need optimization， and credits of mechanics courses can be increased properly. Secondly， taking consideration of the core role of solid mechanics in mechanics， the course of foundations of solid mechanics is advised to set up， and the mechanical modelling ability of students will be promoted. Finally， optional courses on the frontier of mechanics are offered for interested students， which will broaden their view in mechanics and improve their research abilities.

Keywords： weapon major; new engineering; mechanics; curriculum reformation

一、“新工科”的創(chuàng)新要求

“新工科”的概念自2016年被提出以來(lái)[1]，教育部在2017年上半年召開(kāi)了三次大型研討會(huì)，形成了“復(fù)旦共識(shí)”[2]、“天大行動(dòng)”[3]、“北京指南”[4]，在新工科的內(nèi)涵、發(fā)展藍(lán)圖、發(fā)展模式、路徑選擇等方向給出了綱領(lǐng)性指示，拉開(kāi)了我國(guó)新時(shí)期工科專業(yè)建設(shè)改革的大幕。會(huì)議指出，第四次工業(yè)革命正在迅速展開(kāi)，世界高等工程教育面臨新挑戰(zhàn)新機(jī)遇，我國(guó)正在通過(guò)“中國(guó)制造2025”“一帶一路”“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”等重大戰(zhàn)略實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，高等工程教育已經(jīng)處于新的歷史起點(diǎn)，建設(shè)新的工科專業(yè)，發(fā)展工科專業(yè)的新模式勢(shì)在必行。基于此，教育部于2018年初確定了首批612項(xiàng)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目，根據(jù)高校的不同層次，劃分成三組開(kāi)展新工科建設(shè)。并于2020年初啟動(dòng)了第二批新工科研究與實(shí)踐課題[5]，于2020年中發(fā)布了“未來(lái)技術(shù)學(xué)院建設(shè)指南（試行）的通知”[6]，開(kāi)啟了新工科建設(shè)的再出發(fā)、再突破。由此可見(jiàn)，新工科已經(jīng)成為我國(guó)未來(lái)一段時(shí)期高等工科專業(yè)改革的主流方向。發(fā)展新工科的核心目標(biāo)是適應(yīng)未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，在新一代科技革命和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，這就要求新工科培養(yǎng)的人才具有更強(qiáng)的原始創(chuàng)新能力和交叉學(xué)科整合能力。因此，更加寬厚的基礎(chǔ)知識(shí)就成了新工科人才培養(yǎng)的必然要求。

二、力學(xué)的雙重屬性

力學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)中的定位如何呢？

首先，力學(xué)具有理科屬性。力學(xué)是第一個(gè)精確化的科學(xué)，它研究物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和受力特性的關(guān)系，經(jīng)典力學(xué)屬于物理的分支學(xué)科。力學(xué)與數(shù)學(xué)的關(guān)系也是異常緊密，兩個(gè)學(xué)科長(zhǎng)期以來(lái)相互促進(jìn)，一體化發(fā)展。歷史上很多偉大的數(shù)學(xué)家也是力學(xué)家，例如，牛頓不僅是微積分的創(chuàng)始人，而且，由他創(chuàng)立的三大力學(xué)定律成為經(jīng)典力學(xué)最基本的定理。再比如，歐拉不僅在幾何學(xué)、微積分、變分學(xué)上做出了卓越貢獻(xiàn)，還建立了描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本方法，歐拉描述在力學(xué)中起著舉足輕重的作用。此外，拉格朗日、柯西、阿基米德、伯努利等人都是杰出的力學(xué)家和數(shù)學(xué)家。建國(guó)以來(lái)，我國(guó)很多高校將數(shù)學(xué)和力學(xué)放在一起，開(kāi)辦數(shù)學(xué)力學(xué)系，例如，新中國(guó)第一個(gè)數(shù)學(xué)力學(xué)系由周培源先生在北京大學(xué)開(kāi)辦。由此可見(jiàn)，力學(xué)與物理數(shù)學(xué)有著非常緊密的聯(lián)系。

其次，力學(xué)具有很強(qiáng)的工程屬性。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣動(dòng)力學(xué)、建筑結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)力學(xué)、汽車設(shè)計(jì)中的板殼理論、機(jī)械部件中的碰撞力學(xué)和摩擦力學(xué)、電子元器件設(shè)計(jì)中的熱應(yīng)力理論、炸藥爆炸和彈丸侵徹中的沖擊動(dòng)力學(xué)、血管內(nèi)血液流動(dòng)的流體力學(xué)、壓電壓磁傳感器中的多物理場(chǎng)理論、材料設(shè)計(jì)中的材料微觀力學(xué)等等，都是典型工程中的力學(xué)問(wèn)題。被稱為我國(guó)“中國(guó)航天之父”“中國(guó)導(dǎo)彈之父”“火箭之王”的錢學(xué)森先生就是著名的力學(xué)家，他在流體邊界層理論、空氣動(dòng)力學(xué)、板殼屈曲變形理論方面都卓有成效，并創(chuàng)辦了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系并擔(dān)任系主任。國(guó)家最高科技獎(jiǎng)獲得者鄭哲敏院士長(zhǎng)期從事固體力學(xué)研究，提出了流體彈塑性體理論，他善于運(yùn)用力學(xué)原理解決工程問(wèn)題，在核爆反應(yīng)、穿甲破甲、巖土爆破等工程問(wèn)題方面取得了重要成果，并提出了海洋工程力學(xué)、環(huán)境災(zāi)害力學(xué)等應(yīng)用力學(xué)學(xué)科。再如，馮·卡門既是20世紀(jì)最偉大的航空專家也是空氣動(dòng)力學(xué)家，茅以升院士既是偉大的橋梁專家又是我國(guó)土力學(xué)的創(chuàng)始人，錢七虎院士既是防護(hù)工程專家又是巖石力學(xué)專家。他們?nèi)〉玫膫ゴ蟪删蛠?lái)源于優(yōu)異的思維方式，而正是力學(xué)思維賦予了他們極大的創(chuàng)造力。正如馬克思所說(shuō)“力學(xué)是大工業(yè)的真正科學(xué)的基礎(chǔ)”。

所以說(shuō)，力學(xué)既具有理科屬性，又具有工科屬性，既具有量化基因，又具有創(chuàng)新基因[7]，它是科學(xué)與技術(shù)的橋梁，是現(xiàn)代科學(xué)最早成熟的學(xué)科，也是現(xiàn)代工程學(xué)科的支柱。北京大學(xué)武際可教授說(shuō)過(guò)，一名優(yōu)秀的工程師首先是力學(xué)家，要想做一名優(yōu)秀的工程師，首先要把自己變成力學(xué)家。由此可見(jiàn)，力學(xué)在工科專業(yè)人才培養(yǎng)中起著舉足輕重的作用。新工科的創(chuàng)新本質(zhì)要求力學(xué)在人才培養(yǎng)中發(fā)揮更加重要的作用，為提升我國(guó)工程人才的原始創(chuàng)新力做出貢獻(xiàn)。

三、兵器專業(yè)基礎(chǔ)力學(xué)課程的主要問(wèn)題

兵器科學(xué)與技術(shù)（0826）為工學(xué)類國(guó)家一級(jí)學(xué)科，含有武器系統(tǒng)與運(yùn)用工程（082601）、兵器發(fā)射理論與技術(shù)（082602）、火炮自動(dòng)武器與彈藥工程（082603）、軍事化學(xué)與煙火技術(shù)（082604）四個(gè)二級(jí)學(xué)科。該學(xué)科研究身管武器從發(fā)射、飛行到命中目標(biāo)全過(guò)程的化學(xué)、力學(xué)、機(jī)械等問(wèn)題，涉及工學(xué)、理學(xué)、軍事學(xué)等眾多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域，是集武器裝備科學(xué)原理、系統(tǒng)分析、工程設(shè)計(jì)和先進(jìn)技術(shù)綜合運(yùn)用于一體的重要學(xué)科。常見(jiàn)的本科專業(yè)有：武器系統(tǒng)與工程（包含火炮、自動(dòng)武器、火箭炮、彈藥、火箭彈、引信、裝甲車輛等方向）、武器發(fā)射工程（包含現(xiàn)代發(fā)射理論及控制技術(shù)、外彈道理論及彈箭飛行控制技術(shù)等方向）、彈藥工程與爆炸技術(shù)、特種能源技術(shù)與工程、探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)等。其中武器系統(tǒng)與工程、武器發(fā)射工程、彈藥工程與爆炸技術(shù)三個(gè)專業(yè)的主要學(xué)科還包括力學(xué)、機(jī)械工程、控制科學(xué)與技術(shù)等，其中，力學(xué)都排在第二位，屬主干學(xué)科或第一交叉學(xué)科。

一級(jí)學(xué)科“力學(xué)”共有四個(gè)二級(jí)學(xué)科，分別為：一般力學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)、固體力學(xué)、流體力學(xué)、工程力學(xué)。一般力學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)主要研究動(dòng)力學(xué)與控制、振動(dòng)理論等，固體力學(xué)研究可變形固體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，流體力學(xué)研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，工程力學(xué)主要研究工程實(shí)際中的力學(xué)問(wèn)題。兵器類專業(yè)一般在力學(xué)的每個(gè)二級(jí)學(xué)科中安排一門基礎(chǔ)課。例如，南京理工大學(xué)的武器系統(tǒng)與工程專業(yè)，安排了4個(gè)學(xué)分的“理論力學(xué)”作為“一般力學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)”的基礎(chǔ)課，4個(gè)學(xué)分的“材料力學(xué)”作為“固體力學(xué)”的基礎(chǔ)課，2個(gè)學(xué)分“工程流體力學(xué)基礎(chǔ)”作為“流體力學(xué)”的基礎(chǔ)課，1個(gè)學(xué)分的“工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)”和2個(gè)學(xué)分的“有限元基礎(chǔ)與應(yīng)用”作為工程應(yīng)用類力學(xué)課程的基礎(chǔ)課，合計(jì)13個(gè)學(xué)分，占到總學(xué)分?jǐn)?shù)的7.8%。

現(xiàn)有的兵器類專業(yè)的基礎(chǔ)力學(xué)課程體系主要存在以下問(wèn)題：

1. 力學(xué)基礎(chǔ)課程學(xué)分?jǐn)?shù)占總學(xué)分的比例較低

黃再興和胡海巖[8]對(duì)國(guó)外部分知名高校的工科專業(yè)中基礎(chǔ)力學(xué)課程的學(xué)分?jǐn)?shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，主要包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)和流體力學(xué)，并未包括有限元課程，結(jié)果表明，力學(xué)課程占比平均為11.8%，最高達(dá)到16.7%。這說(shuō)明國(guó)外高水平大學(xué)普遍重視基礎(chǔ)力學(xué)課程在工科專業(yè)本科教育中的作用，安排的課時(shí)數(shù)比國(guó)內(nèi)高校多出3-18個(gè)學(xué)分。

2. 知識(shí)陳舊，體系不完整

理論力學(xué)課程中的部分內(nèi)容與高中物理中的力學(xué)部分重復(fù)，例如，點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)與高中物理“質(zhì)點(diǎn)”運(yùn)動(dòng)重復(fù);部分教學(xué)內(nèi)容陳舊繁復(fù)，例如，從“平面匯交力系”到“平面任意力系”到“空間力系”內(nèi)容簡(jiǎn)單易懂，但用時(shí)較多，難以吸引學(xué)生興趣。材料力學(xué)課程以“歐拉-伯努利梁”的經(jīng)典梁理論為主要教學(xué)內(nèi)容，這種理論發(fā)展于18世紀(jì)初，目前已很難滿足現(xiàn)代工程研究的需要，因此，日常練習(xí)與期末考核多以做練習(xí)題為主。此外，材料力學(xué)雖然是固體力學(xué)的入門課程，但涉及到的固體力學(xué)的核心思想較少，也與現(xiàn)代材料力學(xué)的內(nèi)涵大相徑庭，這使得基礎(chǔ)力學(xué)課程的安排在固體力學(xué)方面出現(xiàn)偏頗，體系不完善。而工程流體力學(xué)基礎(chǔ)講述了不少管道流近似計(jì)算的內(nèi)容，不僅計(jì)算方法陳舊，經(jīng)驗(yàn)公式頗多，而且對(duì)流體的基本理論講述不夠深入，未涉及Navier-Stokes方程。

3. 動(dòng)態(tài)力學(xué)內(nèi)容較少，知識(shí)層次不高

兵器工程往往涉及強(qiáng)瞬態(tài)、短脈沖、高溫高壓等沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，需要對(duì)兵器材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為、結(jié)構(gòu)件在沖擊載荷作用下的剛強(qiáng)度、循環(huán)動(dòng)載荷作用下結(jié)構(gòu)可靠性等問(wèn)題進(jìn)行研究。然而，目前開(kāi)設(shè)的基礎(chǔ)力學(xué)課程中很少講述動(dòng)態(tài)力學(xué)的內(nèi)容，使得學(xué)生對(duì)材料在高應(yīng)變率下的響應(yīng)、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算等問(wèn)題沒(méi)有基本概念，在處理相關(guān)問(wèn)題時(shí)常簡(jiǎn)化為靜態(tài)問(wèn)題。例如，學(xué)生經(jīng)常把火炮膛壓載荷的最大值作為靜態(tài)壓力載荷施加到身管內(nèi)表面，然后使用厚壁圓筒理論對(duì)身管進(jìn)行強(qiáng)度校核，這種處理方法雖然簡(jiǎn)單，但是誤差較大，已無(wú)法滿足現(xiàn)代武器高精度設(shè)計(jì)的要求。

四、基礎(chǔ)力學(xué)課程改革的幾點(diǎn)思考

（一）成體系優(yōu)化課程內(nèi)容，適度增加基礎(chǔ)力學(xué)課程學(xué)時(shí)

由于我國(guó)的本科生課程體系中，安排了不少學(xué)時(shí)的英語(yǔ)課和政治課，而且近年來(lái)的改革趨勢(shì)是總課時(shí)數(shù)持續(xù)收縮。在這樣的大背景下，維持現(xiàn)有課時(shí)數(shù)或者適度增加課時(shí)數(shù)，優(yōu)化現(xiàn)有的基礎(chǔ)力學(xué)課程內(nèi)容，就成為縮小與國(guó)外知名高校在學(xué)生力學(xué)思維培養(yǎng)上的差距，提升武器專業(yè)學(xué)生的原始創(chuàng)新能力的主要出路。例如，建議大幅壓縮理論力學(xué)的課時(shí)數(shù)，刪除與高中物理重復(fù)的部分，引入振動(dòng)理論和分析力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，開(kāi)設(shè)一般力學(xué)基礎(chǔ)課程。再如，以彈性力學(xué)和有限元單元法為主要內(nèi)容，附加講述晶體塑性理論的基本概念，開(kāi)設(shè)固體力學(xué)基礎(chǔ)課程。流體力學(xué)課程應(yīng)當(dāng)以優(yōu)化內(nèi)容為主，進(jìn)一步加強(qiáng)基本理論的講述，介紹部分先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)方法，淡化針對(duì)特定工程應(yīng)用對(duì)象的內(nèi)容，避免過(guò)多講述陳舊的經(jīng)驗(yàn)公式。

（二）開(kāi)設(shè)面向兵器專業(yè)的固體力學(xué)課程，強(qiáng)化學(xué)生力學(xué)思維

固體力學(xué)對(duì)于鍛煉學(xué)生的力學(xué)思維非常有用，但是，材料力學(xué)內(nèi)容無(wú)法覆蓋固體力學(xué)的核心知識(shí)點(diǎn)，對(duì)于力學(xué)思維的培養(yǎng)較為有限，而彈性力學(xué)才是固體力學(xué)的核心基礎(chǔ)課程。因此，建議開(kāi)設(shè)面向兵器專業(yè)的以彈性力學(xué)為主要內(nèi)容的固體力學(xué)基礎(chǔ)課程，輔助講解金屬材料基本知識(shí)，并介紹以有限單元法為主的數(shù)值求解方法，形成“材料基礎(chǔ)-力學(xué)模型-工程應(yīng)用”的固體力學(xué)課程體系，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)思維和力學(xué)建模能力。

武器系統(tǒng)大量使用金屬材料，包括炮鋼、裝甲鋼、一般合金鋼、鋁合金、鈦合金等，一般占到武器重量的80%以上。因此，了解金屬材料微觀組織，熟悉宏觀力學(xué)性能，對(duì)于武器設(shè)計(jì)人員合理判斷結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和工作可靠性非常重要。金屬具有晶體結(jié)構(gòu)，可以向?qū)W生介紹晶體的主要結(jié)構(gòu)形式、晶體內(nèi)部的缺陷形式、位錯(cuò)的概念、金屬?gòu)椥宰冃魏退苄宰冃蔚奈锢頇C(jī)制、提高金屬材料強(qiáng)度的原理等內(nèi)容，使學(xué)生獲得基本的材料學(xué)概念。材料宏觀力學(xué)屬性是武器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材的重要依據(jù)，介紹各種金屬材料力學(xué)概念和實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，有利于提升學(xué)生在武器設(shè)計(jì)時(shí)的原始創(chuàng)新能力。包括靜態(tài)屈服強(qiáng)度和準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，彎曲扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和彎曲扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，硬度的不同表示方法和測(cè)試手段，動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度的概念和分離式Hopkinson壓桿原理，斷裂韌性的不同表示方法和測(cè)試手段（例如通過(guò)落錘試驗(yàn)獲得沖擊功、通過(guò)拉伸試驗(yàn)獲得應(yīng)力強(qiáng)度因子），疲勞失效原理和疲勞壽命實(shí)驗(yàn)方法，高溫軟化特性及高溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)等。

彈性力學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的力學(xué)思維非常重要。其主要內(nèi)容應(yīng)該包括：平衡方程、幾何方程、本構(gòu)方程的推導(dǎo)，邊界條件的表達(dá)，兩類平面問(wèn)題（平面應(yīng)力、平面應(yīng)變）的內(nèi)涵，控制方程的推導(dǎo)，彈性力學(xué)問(wèn)題的典型解法等。在完成基本理論的講述之后，可以從武器結(jié)構(gòu)中選擇一些形狀簡(jiǎn)單的典型結(jié)構(gòu)，來(lái)系統(tǒng)性講述彈性力學(xué)問(wèn)題的求解方法，培養(yǎng)學(xué)生使用力學(xué)思維來(lái)解決工程問(wèn)題的能力。例如，厚壁圓筒在內(nèi)外壓力作用下的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的理論解，可以為身管在膛壓載荷作用下的響應(yīng)計(jì)算提供理論支撐;經(jīng)典Hertz接觸理論可以為結(jié)構(gòu)件的接觸碰撞問(wèn)題提供理論支撐;圓孔的孔邊應(yīng)力集中問(wèn)題的解答，可以為平板類構(gòu)件的孔邊應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算提供理論支撐。通過(guò)工程實(shí)際結(jié)構(gòu)件與典型力學(xué)結(jié)構(gòu)的相互對(duì)照，可以鍛煉學(xué)生合理簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)確確定邊界條件的能力，從而全面提升學(xué)生力學(xué)建模的水平。

有限單元法作為目前工程分析中最廣泛使用的數(shù)值計(jì)算方法，應(yīng)用于機(jī)械、電子、土木建筑、軍事工程、生物等眾多學(xué)科。有限單元法具有四大特點(diǎn)：可以通過(guò)不同形式的單元來(lái)模擬復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu);可以求解包括位移場(chǎng)、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、電磁場(chǎng)在內(nèi)的各種物理場(chǎng);數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是變分原理、加權(quán)余量法等，具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ);使用規(guī)范化的矩陣表達(dá)，易于編程求解。有限單元法起源于力學(xué)問(wèn)題的求解，與固體力學(xué)有著深厚的關(guān)聯(lián)，同時(shí)，鑒于有限單元法在武器型號(hào)研發(fā)、關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研等方面的重要作用，結(jié)合固體力學(xué)課程，對(duì)武器專業(yè)學(xué)生講述有限單元法的知識(shí)顯得尤為重要。可以大幅減少?gòu)椈蓡卧?、桿單元、梁?jiǎn)卧慕榻B，以平面單元、三維實(shí)體單元、等參單元、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的求解方法為主，結(jié)合工程實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生使用大型有限元商業(yè)軟件，學(xué)會(huì)使用固體力學(xué)知識(shí)分析計(jì)算結(jié)果，達(dá)到“不僅會(huì)算，還要算對(duì)”的目的。

（三）開(kāi)設(shè)沖擊動(dòng)力學(xué)前沿選修課，提升學(xué)生科研水平

武器發(fā)射是一個(gè)瞬態(tài)沖擊過(guò)程，產(chǎn)生的高溫高壓載荷作用于武器本身，對(duì)武器部件的安全性和可靠性提出了很高的要求。例如，火炮內(nèi)彈道過(guò)程一般在十幾個(gè)毫秒的時(shí)間，膛壓高達(dá)300兆帕以上，火藥燃?xì)鉁囟却蠹s為3000開(kāi)爾文，同時(shí)發(fā)生各種復(fù)雜的物理現(xiàn)象（例如，數(shù)倍或數(shù)十倍于武器本身重量的后座沖擊力產(chǎn)生、彈帶結(jié)構(gòu)發(fā)生高應(yīng)變率下的大變形行為、炮口流場(chǎng)沖擊波反作用于火炮本身、電氣功能部件處于高頻振動(dòng)載荷下）。由此可見(jiàn)，武器設(shè)計(jì)離不開(kāi)沖擊動(dòng)力學(xué)的基本知識(shí)，開(kāi)設(shè)沖擊動(dòng)力學(xué)前沿選修課，對(duì)有志于從事武器科研工作的學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)很有必要。主要內(nèi)容應(yīng)該包括：材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)基本理論、動(dòng)態(tài)加載技術(shù)、沖擊波三個(gè)方面的知識(shí)。

火炮射擊時(shí)，彈帶擠入身管內(nèi)膛，發(fā)生高溫高應(yīng)變率下的大變形，對(duì)這種動(dòng)態(tài)工況下的金屬材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的準(zhǔn)確描述非常有助于提高火炮身管設(shè)計(jì)水平。類似的還有彈丸侵徹靶體的過(guò)程、穿甲彈的穿甲過(guò)程、彈丸爆炸毀傷目標(biāo)的過(guò)程等。因此，在兵器各個(gè)本科專業(yè)開(kāi)設(shè)相關(guān)課程，介紹金屬材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)基本理論對(duì)于培養(yǎng)知識(shí)面廣泛、專業(yè)功底深厚的兵器人才錦上添花，能夠?yàn)椴糠忠院罄^續(xù)深造研究生的同學(xué)奠定良好的基礎(chǔ)。材料動(dòng)態(tài)力學(xué)基本理論可以包括塑性流動(dòng)理論、基于溫度和應(yīng)變率的本構(gòu)關(guān)系、常用的材料損傷準(zhǔn)則和屈服準(zhǔn)則等內(nèi)容。

兵器射擊的動(dòng)態(tài)過(guò)程難以在實(shí)驗(yàn)內(nèi)進(jìn)行操作，一方面場(chǎng)地受限、成本較高，另一方面也存在較大的安全隱患，因此，借助其他加載方式對(duì)兵器材料或者結(jié)構(gòu)件進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載來(lái)模擬射擊載荷，獲得材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律是常見(jiàn)的研究手段。常用的加載方式有：輕氣炮加載技術(shù)、炸藥爆轟加載技術(shù)、電磁加載技術(shù)等。輕氣炮加載技術(shù)方面重點(diǎn)介紹分離式Hopkinson壓桿/拉桿技術(shù)的原理和實(shí)驗(yàn)方法，并安排學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，輔助介紹單級(jí)輕氣炮原理、飛盤(pán)實(shí)驗(yàn)、Taylor桿碰撞實(shí)驗(yàn)原理。其他加載手段，可以介紹磁驅(qū)動(dòng)等熵壓縮實(shí)驗(yàn)原理和電磁炮原理。

兵器中涉及很多沖擊波問(wèn)題，既有氣體中的沖擊波又有固體中的沖擊波。例如，炮口位置處火藥燃?xì)庵械臎_擊波作用于火炮本身，后座產(chǎn)生的沖擊力在火炮結(jié)構(gòu)中形成應(yīng)力波后傳導(dǎo)到地面。因此，在沖擊波方面可以重點(diǎn)介紹簡(jiǎn)單波的概念、氣體中的沖擊波基本關(guān)系式和性質(zhì)、固體中的物態(tài)方程和一維應(yīng)力波的基本方程等。

五、結(jié)束語(yǔ)

兵器專業(yè)本科人才的培養(yǎng)對(duì)我國(guó)兵器行業(yè)發(fā)展具有重要意義，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力是未來(lái)兵器跨越式發(fā)展的必然要求。由于兵器與力學(xué)息息相關(guān)，為了充分發(fā)揮力學(xué)在科學(xué)與工程之間橋梁作用，提出以高質(zhì)量力學(xué)基礎(chǔ)教育為抓手，來(lái)突破學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)難題的方法。具體措施包括：重視力學(xué)在兵器專業(yè)人才培養(yǎng)中的作用，成體系優(yōu)化基礎(chǔ)力學(xué)課程內(nèi)容;開(kāi)設(shè)固體力學(xué)基礎(chǔ)課程，著重培養(yǎng)學(xué)生力學(xué)思維;開(kāi)設(shè)沖擊動(dòng)力學(xué)前沿選修課，拓寬學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生科研能力。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于非傅里葉熱傳導(dǎo)理論的含裂紋彈帶熱塑性行為研究”（編號(hào)：11702137）;江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“極端環(huán)境下彈帶細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化及多尺度本構(gòu)關(guān)系研究”（編號(hào)：BK20170816）

作者簡(jiǎn)介：付佳維（1989-），男，漢族，陜西寶雞人，博士，講師，研究方向：兵器教學(xué)改革、火炮身管設(shè)計(jì)。