基于應(yīng)用實例的《船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程教學(xué)研究

趙炳雄，張娟，嚴謹

（廣東海洋大學(xué)，廣東湛江 524088）

船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物應(yīng)用上衍化而來的學(xué)科，一直是船舶與海洋工程專業(yè)教學(xué)體系中的核心基礎(chǔ)課程，以材料力學(xué)、理論力學(xué)、船舶結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，為船體強度與結(jié)構(gòu)設(shè)計、海洋平臺強度、船舶振動等課程提供支撐，把基礎(chǔ)課和專業(yè)課有效地串聯(lián)起來。船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)知識也是船舶結(jié)構(gòu)工程師開展結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全評估的必要基礎(chǔ)，是學(xué)生走上工作崗位后開展工程項目時的理論和技能基礎(chǔ)。通過多年的考核情況及學(xué)生反映，《船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程理論抽象、系統(tǒng)復(fù)雜、應(yīng)用困難。部分學(xué)生即使在學(xué)習(xí)中聽懂基礎(chǔ)理論和學(xué)會教材的例題，但遇到實際的工程問題依然束手無策。在新工科背景下，加強學(xué)生解決實際專業(yè)問題技能的培養(yǎng)非常必要。工科高校教師在培養(yǎng)學(xué)生時不能只是局限于書本知識理論的傳授，更要注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，以滿足社會發(fā)展對人才實踐和創(chuàng)新能力的需求[1]。工程實踐能力是培養(yǎng)創(chuàng)新型工程技術(shù)人才的基礎(chǔ)，也是面向新形勢高校教學(xué)工作的重要內(nèi)容，不僅應(yīng)體現(xiàn)在各專業(yè)的培養(yǎng)方案中，也應(yīng)在課程教學(xué)中有效貫徹[2]。本文通過對《船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進行探討，在教學(xué)中更多地引入和剖析工程應(yīng)用實例，以提高學(xué)生應(yīng)用理論知識解決工程問題的技能。我校船舶與海洋工程專業(yè)通過多年的探索，在培養(yǎng)“三能”（能安心、能吃苦、能創(chuàng)業(yè)）應(yīng)用型人才方面已經(jīng)取得了良好效果[3]。

1 教學(xué)理念探討

在2010年“卓越工程師”、2016年“工程教育認證”和2017年“新工科建設(shè)”一系列政策的推動下[4]，船舶與海洋工程專業(yè)也開始進行培養(yǎng)方案和課程體系的改革創(chuàng)新，以適應(yīng)行業(yè)發(fā)展對船舶與海洋工程師的要求。船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)作為結(jié)構(gòu)力學(xué)的分支，知識理論深厚且內(nèi)容繁多，在高校教學(xué)過程中往往注重知識的傳授，忽略了專業(yè)技能的提升。相對于傳統(tǒng)知識點的單一傳授，《船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)》課程新的教學(xué)理念應(yīng)該要加強結(jié)構(gòu)模型和應(yīng)用范圍的延伸。讓學(xué)生體會到所學(xué)知識的目的是什么以及能解決哪些實際問題，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、學(xué)習(xí)效率和專業(yè)技能。如圖1所示，教學(xué)理念應(yīng)該加強船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)模型與實際應(yīng)用結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)，通過應(yīng)用實例強化學(xué)生對船舶結(jié)構(gòu)知識點和力學(xué)模型的理解。應(yīng)用實例就是用來剖析力學(xué)模型和實際結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的橋梁，有助于解決學(xué)生只會做題而不會解決工程問題的難題。

圖1 加強應(yīng)用實例聯(lián)系的教學(xué)理念

2 教學(xué)內(nèi)容探討

《船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)》的內(nèi)容可以總結(jié)為采用一定的方法計算船舶與海洋結(jié)構(gòu)物在特定的邊界和載荷條件下產(chǎn)生的響應(yīng)。如圖2所示，知識點包括實際結(jié)構(gòu)到力學(xué)模型的簡化，并采用一定的計算方法對力學(xué)模型進行求解，其中實際結(jié)構(gòu)需要考慮其結(jié)構(gòu)屬性和載荷條件，力學(xué)模型包括力學(xué)原理、結(jié)構(gòu)形式和邊界條件，計算方法包括力法、位移法、能量法和有限元法。傳統(tǒng)的教學(xué)方法重點在于把每個知識點單獨傳授給學(xué)生，缺少各個知識點之間的串聯(lián)。教師授課時不但要講授力學(xué)分析的基本計算方法，更要引導(dǎo)學(xué)生認識和掌握船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的力學(xué)特性，從而分析實際結(jié)構(gòu)在受到載荷作用下如何簡化力學(xué)模型。教學(xué)內(nèi)容可以結(jié)合實際案例和科研項目增強有限元在教學(xué)中的應(yīng)用演示，起到拓展知識和加深學(xué)生對理論知識理解的作用[4]。

圖2 《船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)》知識點

引用工程應(yīng)用實例授課一方面可以加強學(xué)生對知識點的理解，另一方面可以有效地把各個知識點融會貫通。以經(jīng)典的單跨梁知識點為例，授課時應(yīng)適當(dāng)分析船舶實際結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)屬性、邊界條件和載荷條件等方面等效到單跨梁的力學(xué)模型，可根據(jù)授課進度采用多種計算方法，并與時俱進地多引用有限元計算方法。如圖3所示為船舶甲板結(jié)構(gòu)縱骨力學(xué)模型的簡化過程?？紤]縱骨的尺寸小于艙壁和強橫梁，可把艙壁與橫梁或橫梁與橫梁之間的甲板縱骨簡化成單跨梁模型。模型的跨長即為艙壁與橫梁的間距或橫梁之間的間距a。甲板上的均布載荷可轉(zhuǎn)化成甲板縱骨平均支撐面積a×b 的線性分布力。因為艙壁和強橫梁的剛度遠大于甲板縱骨，邊界條件可設(shè)置為固支和簡支約束。通過對簡化過程的剖析，有利于加強學(xué)生對單跨梁力學(xué)模型應(yīng)用的理解，同時對載荷分布和邊界條件有了更具體的工程認識。

圖3 甲板縱骨力學(xué)模型簡化過程

在圖3的簡化工程中還應(yīng)該進一步分析實際結(jié)構(gòu)與單跨梁的結(jié)構(gòu)屬性。甲板板格承受甲板載荷p 發(fā)生彎曲相當(dāng)于單跨梁AB 承受均布載荷q 發(fā)生彎曲。AB梁的截面屬性等效于縱骨T120x8/60x10 與寬度b 的甲板帶板組成的截面（見圖4）。通過力學(xué)模型截面屬性的簡化，非常直觀地把實際結(jié)構(gòu)與力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)屬性結(jié)合起來，進一步加深學(xué)生對梁系結(jié)構(gòu)截面屬性的概念理解。

圖4 甲板縱骨力學(xué)模型截面屬性

在闡述實際結(jié)構(gòu)與力學(xué)模型之間的關(guān)系之后，采用解釋法、有限元法和經(jīng)驗法等多種方法求解該力學(xué)模型，并比較各種方法的優(yōu)劣和應(yīng)用場景。除了傳統(tǒng)的彎曲要素法、力法、位移法和能量法之外，應(yīng)適當(dāng)增加與時俱進的有限元仿真和與工程應(yīng)用結(jié)合的經(jīng)驗法。相當(dāng)于在掌握傳統(tǒng)理論知識的基礎(chǔ)上，利用前沿的分析工具解決實際的工程問題。

在求解過程中，除了給出撓度、轉(zhuǎn)角、剪力和彎矩彎曲四要素結(jié)果外，應(yīng)適當(dāng)延伸解釋四要素的含義。結(jié)合實際工程應(yīng)用，說明撓度、轉(zhuǎn)角、剪力和彎矩對于結(jié)構(gòu)安全設(shè)計和校核的意義。結(jié)合材料力學(xué)，進一步分析該截面屬性在最大彎矩和剪力下的應(yīng)力分布和最大應(yīng)力值（見圖5）。實際工程應(yīng)用往往更關(guān)心導(dǎo)致材料首先失效的最大應(yīng)力水平。因此，學(xué)生也進一步了解到求解梁系力學(xué)模型的工程意義。

圖5 應(yīng)用實例計算結(jié)果分析

通過一個好的應(yīng)用實例的內(nèi)容設(shè)計，船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的各個知識點能有機地串聯(lián)起來。使得每個內(nèi)容都能具體化，便于學(xué)生理解掌握。把理論知識與工程實際問題相結(jié)合，大大提高了學(xué)生對知識點的學(xué)習(xí)興趣和運用能力。

3 教學(xué)方法探討

《船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)》是一門傳統(tǒng)的力學(xué)課程，為了使教學(xué)內(nèi)容更加形象化，應(yīng)該與時俱進地運用更多前沿的教學(xué)工具。結(jié)合應(yīng)用實例，介紹實際工程經(jīng)常使用的規(guī)范計算方法和有限元分析方法，培養(yǎng)學(xué)生工程實踐技能。

對于海船設(shè)計，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計參考的國內(nèi)規(guī)范是中國船級社規(guī)范《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》[5]的第二篇結(jié)構(gòu)部分。甲板等骨架設(shè)計的經(jīng)驗公式來自梁系的力學(xué)模型和大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。如甲板縱骨的規(guī)范要求是剖面模數(shù)W 不小于以下計算值。

甲板縱骨的兩端簡支單跨梁力學(xué)模型最大彎矩由彎曲要素表可得。

在滿足材料許用應(yīng)力[σ]情況下，甲板縱骨的剖面模數(shù)最小值Wmin計算如下。

在規(guī)范默認的材料下，公式（1）的c1為公式（3）的1/8ρg/[σ]，K 則為區(qū)別于默認材料系數(shù)，這便是規(guī)范經(jīng)驗設(shè)計公式與船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)模型存在的關(guān)系。

引用規(guī)范進行應(yīng)用實例教學(xué)時應(yīng)該側(cè)重引導(dǎo)學(xué)生思考理論與實踐的聯(lián)系，詳細介紹課堂上所學(xué)的單跨梁的截面屬性與彎矩等是如何轉(zhuǎn)化到規(guī)范中的經(jīng)驗公式的。一個優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)工程師需要的就是理論知識結(jié)合實踐應(yīng)用的能力。如在課堂上增加理論聯(lián)系實踐的思維引導(dǎo)，一方面可以加強學(xué)生的工程實踐能力，另一方面可以提高學(xué)生探索科研的興趣，鼓勵學(xué)生進一步深造。

有限元的分析技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，多種軟件如ANSYS、PATRAN、ABAQUS 等在船舶與海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)分析上應(yīng)用廣泛?；趹?yīng)用實例的教學(xué)方法應(yīng)與時俱進，在課堂上介紹和演示相關(guān)的專業(yè)軟件。通過操作流程的簡單介紹和計算結(jié)果的討論分析，如圖6所示能夠直觀形象地展示力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)特征、邊界條件和應(yīng)力分布等信息，加深學(xué)生對知識點的理解。同時與理論分析的結(jié)果進行對比討論，建立有限元分析參數(shù)與理論計算物理量之間的關(guān)系，明確有限元分析過程相關(guān)參數(shù)的物理意義。該方法將有助于提高學(xué)生對知識點的理解和對工程軟件的認識，為學(xué)生以后在實際工程問題中運用有限元軟件打下基礎(chǔ)[6]。根據(jù)對畢業(yè)生就業(yè)情況的調(diào)查，接觸過并會使用專業(yè)相關(guān)軟件的學(xué)生更受用人單位的青睞，在工作崗位上學(xué)習(xí)和應(yīng)用新的工程軟件所需時間更短。

圖6 單跨梁的有限元分析

4 結(jié)語

本文分析《船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)》應(yīng)用案例教學(xué)的實踐，以剖析船舶甲板結(jié)構(gòu)和單跨梁力學(xué)模型的關(guān)聯(lián)為實例，討論了在教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上結(jié)合應(yīng)用案例的教學(xué)改革實踐，結(jié)論有以下幾點。

（1）《船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)》的教學(xué)應(yīng)該與時俱進，培養(yǎng)符合新工科要求的結(jié)構(gòu)工程師，基于應(yīng)用實例的課堂教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生工程思維和技能的有效方法。

（2）基于應(yīng)用實例的《船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)》教學(xué)要從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法多方面建立理論知識與船舶工程應(yīng)用的聯(lián)系。從思維模式到技能訓(xùn)練、從知識點零散到系統(tǒng)串聯(lián)、從傳統(tǒng)理論到現(xiàn)代化技術(shù)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的興趣，鍛煉學(xué)生工程思維能力，達到學(xué)以致用的目的。

（3）基于應(yīng)用實例的教學(xué)設(shè)計需要船舶與海洋工程專業(yè)教師和團隊的精心準備，要在每一個環(huán)節(jié)都滲透理論聯(lián)系實際的教學(xué)設(shè)計，使學(xué)生能在潛移默化中鍛煉工程師技能。