論材料力學(xué)教學(xué)中學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)

李 鋒 周立明 郭桂凱

（吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025）

0 引言

材料力學(xué)是工科專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，通過(guò)對(duì)桿件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等問(wèn)題的學(xué)習(xí)，進(jìn)而研究桿件的變形和破壞規(guī)律。 傳統(tǒng)的材料力學(xué)教學(xué)模式只注重知識(shí)的傳授，而忽視了學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，而“一流” 課程建設(shè)則要求學(xué)生的培養(yǎng)更注重能力和素養(yǎng)。因此改革傳統(tǒng)的教學(xué)模式，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力具有重要的意義[1-4]，具體可以從以下方面入手。

1 從生活中的力學(xué)談起，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情

樹干上細(xì)下粗，是因?yàn)闃涓墒艿斤L(fēng)載，越靠近地面，所受到的彎矩越大，因此樹干下部的直徑比上部的要大。 大多數(shù)動(dòng)物骨骼是空心的，這是因?yàn)閷?duì)于彎曲變形，距離中性軸越近，應(yīng)力越小，而對(duì)于扭轉(zhuǎn)也一樣，距離圓心越近，應(yīng)力越小。 因此，可以把承受應(yīng)力小的部分去掉，這樣既可以減輕重量的同時(shí)也可以保持較高的強(qiáng)度。 但是，對(duì)于承受軸向拉伸的桿件，做成空心的卻不能省材料， 這是因?yàn)閷?duì)于軸向拉伸構(gòu)件，其應(yīng)力均勻分布。又如對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)雙桿，其外伸端長(zhǎng)度a和中間的長(zhǎng)度l 之比應(yīng)該為1/4，這是因?yàn)橹貫镕 的人作為移動(dòng)載荷在雙桿上移動(dòng)時(shí)， 有兩個(gè)危險(xiǎn)位置，一個(gè)是外伸端端部，此時(shí)雙杠的彎矩為Fa（假設(shè)人在雙杠的一側(cè)）；另一個(gè)位置是中間段的中點(diǎn)，此時(shí)雙杠的彎矩為Fl，標(biāo)準(zhǔn)的雙杠應(yīng)該使兩者的彎矩相等，因此有a/l=1/4。

2 講述工程常識(shí)，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)水平

在工程實(shí)際中， 工程師通過(guò)工程案例獲得經(jīng)驗(yàn)，而對(duì)于學(xué)習(xí)材料力學(xué)的學(xué)生， 通常缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)構(gòu)件截面尺寸時(shí)，由于計(jì)算錯(cuò)誤，有時(shí)會(huì)得到與實(shí)際尺寸相差甚遠(yuǎn)的結(jié)果。 這實(shí)際是因?yàn)閷W(xué)生對(duì)承受多大載荷需要多大截面沒有對(duì)應(yīng)的概念。 因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)截面例題時(shí)，需要將載荷與截面尺寸相對(duì)應(yīng)起來(lái)，從而建立起構(gòu)件承載力的感觀認(rèn)識(shí)。 另外，有的學(xué)生在設(shè)計(jì)截面時(shí)不取值，只是給了一個(gè)范圍。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，這是無(wú)法加工成構(gòu)件的，因?yàn)闆]有一個(gè)明確的尺寸供加工工人參考。 還有一些同學(xué)在設(shè)計(jì)截面取值時(shí)，后面保留了多位小數(shù)。 殊不知，小數(shù)數(shù)位越多，意味著加工精度越高，費(fèi)用也越貴，有時(shí)甚至無(wú)法加工出來(lái)。

3 充分利用虛擬仿真，使材料力學(xué)學(xué)習(xí)更形象

材料力學(xué)理論經(jīng)典實(shí)用，但是有的地方也抽象難懂。 因此，可以借助虛擬仿真，使得材料力學(xué)知識(shí)點(diǎn)更加形象易懂， 利用有限元軟件計(jì)算圓截面桿的拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲，通過(guò)橫截面應(yīng)力觀察，可以一目了然地觀察到橫截面的應(yīng)力分布規(guī)律。 有限元軟件還可以顯示桿件的軸力圖、扭矩圖以及彎矩圖。 有限元計(jì)算還能驗(yàn)證材料力學(xué)的基本假設(shè)和重要結(jié)論。 例如，對(duì)于橫力彎曲，當(dāng)跨長(zhǎng)與高度之比為l/h≥5 時(shí)，其正應(yīng)力仍然可以利用純彎曲公式。 這可以通過(guò)有限元計(jì)算不同跨長(zhǎng)和高度比的梁， 通過(guò)分析結(jié)果，驗(yàn)證該結(jié)論的正確性。 另外，也可以用有限元分析帶孔的軸向拉伸桿以及變截面桿的拉伸， 可以從應(yīng)力云圖中明顯看見應(yīng)力集中現(xiàn)象： 即構(gòu)件由于外形的變化，應(yīng)力急劇增大。

4 建立工程案例庫(kù)，提升學(xué)生解決問(wèn)題的能力

要想提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，就要保持材料力學(xué)理論和工程實(shí)踐的緊密結(jié)合性。 因此，有必要建立材料力學(xué)工程案例庫(kù)[5]，通過(guò)一些具體的工程案例，運(yùn)用材料力學(xué)的基本理論和計(jì)算方法， 解決工程的實(shí)際問(wèn)題。 選用的工程構(gòu)件有：HZ140TR2 后置旅游車地盤車架、柴油機(jī)曲軸、傳動(dòng)軸、曲柄軸等。 要求學(xué)生畫出結(jié)構(gòu)的全部?jī)?nèi)力圖，標(biāo)明可能的各危險(xiǎn)截面；弄清楚危險(xiǎn)截面上各種應(yīng)力的分布規(guī)律圖及由此判定各危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)圖；求出各危險(xiǎn)點(diǎn)的主應(yīng)力大小及主平面位置，選擇強(qiáng)度理論并建立強(qiáng)度條件。 通過(guò)工程案例的分析，大大提高了學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

5 介紹課外知識(shí)，拓寬學(xué)生的視野

距材料力學(xué)學(xué)科創(chuàng)立以來(lái)， 科學(xué)的發(fā)展日新月異，新的材料和新的工程問(wèn)題不斷出現(xiàn)。 因此，教師授課時(shí)有必要介紹一些課外知識(shí)， 拓寬一下學(xué)生的視野，從而有利于其以后的學(xué)習(xí)。 材料力學(xué)只研究桿件，而構(gòu)件除了桿件外還有塊體、板殼，這些將在彈性力學(xué)中繼續(xù)研究；材料力學(xué)只研究線彈性，超過(guò)線彈性時(shí)材料的本構(gòu)關(guān)系將由塑性力學(xué)研究；材料力學(xué)基本假設(shè)中假定構(gòu)件中的物質(zhì)連續(xù)分布，而實(shí)際工程中有時(shí)候存在孔洞、缺陷等不連續(xù)等現(xiàn)象，這時(shí)不能用應(yīng)力去建立結(jié)構(gòu)的失效條件， 需要用斷裂力學(xué)進(jìn)行分析；材料力學(xué)假定材料各向均勻，而隨著科技的發(fā)展，復(fù)合材料越來(lái)越廣泛地運(yùn)用于工程中，且復(fù)合材料屬于各向異性材料， 這時(shí)需要用復(fù)合材料力學(xué)求解；材料力學(xué)中交變應(yīng)力只針對(duì)橫幅載荷，而實(shí)際工程中多為隨機(jī)載荷，隨機(jī)載荷作用下構(gòu)件發(fā)生的破壞則由疲勞理論進(jìn)行研究。