結(jié)合船舶與海洋工程專業(yè)特點的“結(jié)構動力學”課程教學

張大朋，嚴謹

(廣東海洋大學船舶與海運學院，廣東湛江 524088)

作為結(jié)構振動理論在結(jié)構工程中的具體應用，結(jié)構動力學與振動理論的研究是同時進行的。該領域的早期比較有影響力的著作是德國的K.Hohennemser和W.Prager在1933年編寫的《結(jié)構動力學》。近幾十年以來，結(jié)構動力學發(fā)生了深刻的變化，形成了應用領域十分廣泛的現(xiàn)代結(jié)構動力學。同時，“結(jié)構動力學”是各大理工科高等院校在研究涉及工程振動問題時重要專業(yè)核心課程，該課程在傳統(tǒng)力學、航空與航天、土木建筑、交通航海等大類專業(yè)中得到廣泛應用，課程的名字一般用“結(jié)構動力學”[1-5]。有些偏于學術科研型的高校，甚至將該課程稱作振動力學[6-10]。事實上，在一些力學強校該課程被稱作“振動力學”，在機械、能源動力等專業(yè)中一般稱為“機械振動”。

該課程與“振動力學”和“機械振動”的相同之處在于，都是研究系統(tǒng)的振動；不同之處在于，“振動力學”偏于從力學的角度對振動現(xiàn)象展開機理性的分析；“機械振動”則偏于從機械的角度來對振動現(xiàn)象進行解讀并對工程振動問題進行理論建模及分析，定量或定性地認識工程結(jié)構振動運動規(guī)律，解釋振動現(xiàn)象，掌握振動控制的基本原理，能掌握工程結(jié)構動力學優(yōu)化設計、故障分析與診斷、振動控制產(chǎn)品研發(fā)所必需的理論基礎；而“結(jié)構動力學”則是從具體的大類工科工程背景出發(fā)，來對一些土木建筑、鋼結(jié)構、懸索橋的振動進行工程上的對比優(yōu)化和參數(shù)設計與分析。因此，對于不同的專業(yè)，該課程的側(cè)重點是不同的。

具體到船舶與海洋工程專業(yè)來說，船舶與海洋工程中涉及到大量的水面船舶電子海洋平臺、海洋管線、拖曳纜索、托管架、導管架、海洋風機、深水網(wǎng)箱等，在復雜海洋載荷風浪流等的聯(lián)合作用下，這些海洋工程結(jié)構物都會發(fā)生較為復雜的動力學特性響應。因此，要對這些海洋結(jié)構物進行設計與分析，我們必須要針對船舶與海洋工程專業(yè)的特點，并將船舶與海洋工程專業(yè)的實際工程情形和“結(jié)構動力學”課程中的相關內(nèi)容進行深度結(jié)合，從專業(yè)背景出發(fā)，來展現(xiàn)“結(jié)構動力學”在船舶與海洋工程專業(yè)中的實際應用，進而提高學生學以致用的能力，最終達到提高學生創(chuàng)新能力的目的。

一、當前“結(jié)構動力學”教材的特點、種類與教學現(xiàn)狀

（一）當前“結(jié)構動力學”教材的特點、種類

不同于傳統(tǒng)的靜力學，“結(jié)構動力學”課程對于數(shù)學和力學的基礎要求較高，在上該門課程之前，學生應該已經(jīng)學習了“理論力學”“材料力學”和“高等數(shù)學”課程中的微積分與線性代數(shù)與常微分方程。只有在此基礎上，才能展開“結(jié)構動力學”課程的教學。

“結(jié)構動力學”課程的經(jīng)典教材是美國的克拉夫和澎津編著的《結(jié)構動力學》，該教材經(jīng)中國的王光遠等人翻譯后由高等教育出版社印刷出版，并作為教材面向工科大類專業(yè)的研究生和博士生使用。該書最初是美國加利福尼亞大學（伯克利分校）面向研究生的結(jié)構動力學的基本教材，主要是為土木工程專業(yè)培養(yǎng)研究型人才，尤其是針對地震方面的結(jié)構響應。由于該書理論性較強，對于基礎不好的初學者來說，存在一定的難度，因此需要教師在全書的學習過程中引導教學。

2007年，馬樂為和徐趙東在他們多年從事結(jié)構動力學的教學及研究工作的基礎上撰寫了一部《結(jié)構動力學》。作者在該書中介紹了基本概念和基礎理論，也介紹了結(jié)構動力學領域的若干前沿研究課題。該書既注重讀者對基本知識的掌握，也注重讀者對結(jié)構振動領域研究發(fā)展方向的掌握。雖然也是面向工程大類的學生，但明顯比克拉夫和澎津編著的《結(jié)構動力學》更容易讓人理解。

2015年于開平和鄒經(jīng)湘編著的《結(jié)構動力學》，講述了結(jié)構動力學領域的主要內(nèi)容及最新科學技術成果，涵蓋了線性假設下的結(jié)構動力學正反兩方面的主要問題，同時還簡單介紹了非線性振動問題。該教材配有對應的輔助教學程序，便于學生進行自學和實際工程應用。

在機械與力學方面，結(jié)構動力學的教材，有早期季文美、方同等人編著、科學出版社出版的《機械振動》。李欣業(yè)、張明路在2015年聯(lián)合清華大學出版社出版了一本以介紹機械振動的基本理論與應用為基本風格，強調(diào)計算機技術與傳統(tǒng)理論分析的融合的《機械振動》。

除此之外，針對海洋工程專業(yè)，國內(nèi)也有相關的專業(yè)教材，對此下文將展開詳細論述。

（二）廣東海洋大學船舶與海洋工程專業(yè)當前“結(jié)構動力學”課程的教學現(xiàn)狀

廣東海洋大學船舶與海洋工程專業(yè)目前還未開設“結(jié)構動力學”方面的課程，這一方面是由于長久以來廣東海洋大學沒有專門的力學系，導致各個方向的專業(yè)課分配到各個方向的老師教學；另一方面，由于廣東海洋大學是一所地方院校，且地處粵西，地理位置不占優(yōu)勢，導致所招收的生源整體上數(shù)學和物理基礎比較薄弱。筆者曾經(jīng)對本專業(yè)的學生做過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)高考數(shù)學分數(shù)都沒有超過100分。這樣的數(shù)學功底，在講解“結(jié)構動力學”課程時如果一味地強調(diào)數(shù)學公式的推導，將不可避免地導致學生對該課程學習興趣和積極性的喪失。

隨著廣東海洋大學的不斷發(fā)展，船舶與海洋工程專業(yè)于今年獲批教育部一級碩士點及土木水利方向?qū)４T點，本科專業(yè)獲批國家一流本科建設點。站在新的歷史起點，廣東海洋大學對船舶與海洋工程專業(yè)的培養(yǎng)體系進行了修改。在新的專業(yè)培養(yǎng)體系中，“結(jié)構動力學”課程將于2022年下半年開課。

二、“結(jié)構動力學”課程與船舶與海洋工程專業(yè)的結(jié)合點

（一）船舶與海洋工程專業(yè)中涉及的“結(jié)構動力學”知識概念與融合

“結(jié)構動力學”課程作為工科大類課程，其中所包括的基礎知識、基本定義與船舶與海洋工程專業(yè)中的相關內(nèi)容高度重合。

船舶與海洋工程中的船舶魚尾擺動現(xiàn)象、海豚運動、馬修效應等，這些都是典型的結(jié)構動力學問題。而在海洋細長撓性構件中，海洋管線的渦激振動、束流管道的順流舞動與馳振和顫振、海洋平臺張腿的彈振和鳴振，以及跨海大橋、海洋拖纜與高架索的大幅度振動等，都與“結(jié)構動力學”的非線性方面的內(nèi)容密切相關，且基本上也都與各種各樣形式的振動現(xiàn)象有關。這些振動現(xiàn)象的背后隱藏著大量的海洋工程方面的專業(yè)知識。

（二）針對船舶與海洋工程專業(yè)“結(jié)構動力學”課程教材的選擇

目前，國內(nèi)關于船舶與海洋工程專業(yè)方面的“結(jié)構動力學”教材，主要有劉金實、胡昊顥的《海洋工程結(jié)構力學》和唐友剛、沈國光、劉利琴的《海洋工程結(jié)構力學》兩部。前者為科學出版社出版，后者為天津大學出版社出版。劉金實版本在介紹基本概念及基礎理論的同時，注重介紹海洋工程領域典型、關鍵性結(jié)構的動力學問題，注重培養(yǎng)讀者解決工程問題的能力。唐友剛版本結(jié)合海洋工程環(huán)境及結(jié)構特征，介紹海洋工程結(jié)構動力分析的理論與方法，包括線性振動、非線性振動、隨機振動的基本理論和方法以及風、浪、流等對海洋結(jié)構的作用機理、確定性載荷和隨機波浪載荷計算理論，同時結(jié)合海洋固定平臺、鉸接塔平臺、單點系泊與錨泊系統(tǒng)及浮式結(jié)構等，介紹海洋結(jié)構波浪作用下動力響應分析的理論與方法，對于深海平臺動力分析問題作了簡單介紹，對海洋工程結(jié)構非線性振動響應特點和分析方法進行了深入介紹。該書的主要特色是緊密結(jié)合海洋工程技術發(fā)展需要，力求理論聯(lián)系實際，以大量海洋工程結(jié)構實例分析貫穿全書。筆者本人在求學期間運用的就是唐友剛教授的教材，結(jié)合筆者當年自身體驗與廣東海洋大學生源特點，擬采用唐友剛教授的《海洋工程結(jié)構力學》。

（三）“結(jié)構動力學”在船舶與海洋工程中的具體應用

“結(jié)構動力學”課程在船舶與海洋工程中也起著非常重要的作用。具體體現(xiàn)在，“結(jié)構動力學”課程對于優(yōu)化船體結(jié)構與型線設計，提高船舶耐波性和強度、延長海洋管線使用壽命、降低海洋構件受到的疲勞載荷與沖擊等方面起著非常重要的作用。

三、教學調(diào)整及進一步的改革構想

（一）教學調(diào)整

我們根據(jù)實際需求，結(jié)合專業(yè)發(fā)展，在學科內(nèi)部組建專業(yè)的“結(jié)構動力學”教研團隊，挑選業(yè)務熟練、力學理論功底強又有學科交叉背景的青年教師，針對廣東海洋大學的生源特點，展開特色化教學，結(jié)合多媒體影像，用化繁為簡的能力，把復雜的機理講簡單、把難理解的公式用學生能聽懂的語言講明白，要讓學生在聯(lián)想到某一知識點時，腦海中呈現(xiàn)出畫面感。

（二）進一步的改革構想

我們進一步錘煉辦學特色和專業(yè)方向，結(jié)合廣東海洋大學“十四五”發(fā)展規(guī)劃，以“結(jié)構動力學”為抓手，以點帶面，對船舶與海洋工程專業(yè)的所有課程進行優(yōu)化，進而逐步形成新的涉海人才培養(yǎng)體系。

四、結(jié)束語

“結(jié)構動力學”課程內(nèi)容涵蓋面非常廣，且其涉及的理論也比較深，因此學生學起來會比較吃力。針對這種情況，對于地方性的涉海高校來說，由于其生源本身的數(shù)學和力學基礎相對薄弱，因此，我們必須采取針對性教學，即選取合適教材，組建專業(yè)團隊，最大限度實現(xiàn)船舶與海洋工程專業(yè)方向該課程的個性化教育。這樣有利于專業(yè)人才的科研能力和工程應用能力的全面提高。

從最新的發(fā)展前沿來說，目前，結(jié)構動力學分析中的一個主要熱點是隨機有限元動力分析法。隨機結(jié)構動力分析法的研究，主要集中在兩個內(nèi)容上，即隨機特征值和隨機動力響應的概率分析。而隨機結(jié)構的動力分析方法主要包括隨機模擬法、攝動隨機有限元法、動態(tài)隨機有限元法和正交展開法。除此之外，結(jié)構動力學中的反問題研究。結(jié)構穩(wěn)定性與動態(tài)子結(jié)構法也是當下較為前沿的研究方向。

總體來說，結(jié)構動力學在經(jīng)過200多年的發(fā)展后已經(jīng)成為一門相對成熟的學科。但是，結(jié)構動力學仍然有許多新的問題需要研究，如復模態(tài)理論、主動振動控制以及通過吸收一些新的技術，改善現(xiàn)有的方法和技術以提高計算效率和計算結(jié)果的精度，也可以展開跨學科的研究。具體到船舶與海洋工程專業(yè)來說，我們要緊追當前結(jié)構動力學的研究前沿與熱點，在授課過程中要結(jié)合專業(yè)特點與結(jié)構動力學的研究熱點對授課內(nèi)容與授課環(huán)節(jié)進行不斷優(yōu)化，使得學生在課堂教學中既掌握結(jié)構動力學在船舶與海洋工程專業(yè)中的應用，又能了解到結(jié)構動力學本身的發(fā)展趨勢，以便為學生以后的求職拓寬道路，為他們以后開展跨學科的研究打下一定的基礎。同時，教師在授課過程中要結(jié)合結(jié)構動力學的發(fā)展史鼓勵學生發(fā)揚鉆研精神，加強科學研究，嘗試運用結(jié)構動力學在工程領域解決更多的問題，立志成為大國工匠！