土木工程類(lèi)研究生課程《彈性力學(xué)》的教學(xué)改革嘗試

楊東全，彭 紅

(海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南海口 570228)

土木工程類(lèi)研究生課程《彈性力學(xué)》的教學(xué)改革嘗試

楊東全，彭 紅

(海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南?？?570228)

彈性力學(xué)是土木工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課之一，為了適應(yīng)現(xiàn)代土木工程專(zhuān)業(yè)研究生的專(zhuān)業(yè)教育，有必要對(duì)傳統(tǒng)的彈性力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教材使用等方面進(jìn)行改革.本文主要從彈性力學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容改革方面進(jìn)行探討，旨在提高研究生彈性力學(xué)課程的教學(xué)效果.

彈性力學(xué);教材建設(shè);教學(xué)改革

彈性力學(xué)是研究彈性體變形規(guī)律的一門(mén)學(xué)科，是土木、機(jī)械、航天、水利等工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是開(kāi)展有關(guān)研究的重要理論基礎(chǔ)［1］.目前，彈性力學(xué)的教學(xué)仍以傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容為主，采用的教材仍是以傳統(tǒng)的經(jīng)典教材內(nèi)容為框架.這些教材反映了上世紀(jì)初期以前彈性理論的主要內(nèi)容，主要以線彈性問(wèn)題的建立和求解為主［2－5］.由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算手段不夠，彈性力學(xué)的研究主要以小變形情況下線彈性理論的建立和相關(guān)解析解的求解為主，相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容也側(cè)重于理論推導(dǎo).上世紀(jì)五六十年代以前，彈性理論的發(fā)展轉(zhuǎn)向非線性問(wèn)題的理論和求解方法［1］.近些年來(lái)，彈性理論得到了更大的發(fā)展.尤其是隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，各類(lèi)計(jì)算機(jī)程序尤其是有限元商業(yè)程序的開(kāi)發(fā)和廣泛使用，如Ansys，Abaqus，LS-DYNA，NASTRAN等，過(guò)去無(wú)法求解的很多彈性力學(xué)問(wèn)題現(xiàn)在都已經(jīng)可以比較快速地得到解答.但彈性力學(xué)教材和教學(xué)內(nèi)容并沒(méi)有相應(yīng)地改變，仍以傳統(tǒng)的線彈性理論和解析解的求解為主.這樣就會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題.例如，盡管很多學(xué)生和工程師可以應(yīng)用有限元軟件得到一些解答，但由于彈性力學(xué)問(wèn)題本身的復(fù)雜性，需要對(duì)彈性理論本身有足夠深刻的理解，才能利用有限元軟件得到正確的解答.如果對(duì)彈性理論的理解不夠深刻和全面，濫用有限元軟件就會(huì)得到不合實(shí)際的解答，這種現(xiàn)象廣泛存在于教學(xué)和實(shí)際的科研工作中.為了改善這種情況，有必要對(duì)傳統(tǒng)的適于以手算等初等手段為計(jì)算方法的經(jīng)典彈性力學(xué)進(jìn)行一些教學(xué)改革.例如，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)彈性力學(xué)基本理論的理解，但減少在解析解方面所花的篇幅和時(shí)間.另一方面，土木工程類(lèi)的研究生在本科階段一般都學(xué)習(xí)過(guò)彈性力學(xué)的基本內(nèi)容，從科學(xué)研究和實(shí)際工程應(yīng)用的角度出發(fā)，研究生的彈性力學(xué)教學(xué)應(yīng)該從更高的層次和更廣的內(nèi)容上進(jìn)行教學(xué).目前這方面的探討不多.總之，如何設(shè)置當(dāng)今研究生的彈性力學(xué)的課程教學(xué)，講解哪些內(nèi)容，深度到什么程度，這是一個(gè)值得探討的問(wèn)題.

1 土木工程專(zhuān)業(yè)本科階段的彈性力學(xué)教學(xué)概述

彈性力學(xué)是土木工程類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，目前在我國(guó)高校本科階段的彈性力學(xué)主流教材是徐芝綸等編著的《彈性力學(xué)》［6］、《彈性力學(xué)簡(jiǎn)明教程》［7］等.其主要內(nèi)容包括彈性力學(xué)的基本概念和基本假設(shè)、平面問(wèn)題的基本理論、直角坐標(biāo)解法和極坐標(biāo)解法、空間問(wèn)題的基本理論和解答、薄板彎曲問(wèn)題以及差分法、變分法和有限元法簡(jiǎn)介等.這些內(nèi)容對(duì)土木工程類(lèi)的本科生是適應(yīng)的，為本科生后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)建立了必要的力學(xué)基礎(chǔ).

2 當(dāng)前土木工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)研究生彈性力學(xué)常用教材中存在的問(wèn)題

彈性力學(xué)作為土木類(lèi)研究生的重要理論基礎(chǔ)課程，不能是本科同一課程的簡(jiǎn)單重復(fù)，所教授的內(nèi)容應(yīng)該是本科階段的提高和加強(qiáng).目前，國(guó)內(nèi)高校所采用的彈性力學(xué)教材不太適合土木工程專(zhuān)業(yè)研究生的教學(xué)，主要體現(xiàn)在以下幾方面:(1)以徐芝綸編著的《彈性力學(xué)》［6］為代表的彈性力學(xué)教材，一般都不采用張量表述，這不利于土木類(lèi)研究生以后的研究工作，也不符合現(xiàn)代的彈性力學(xué)教學(xué)潮流.當(dāng)前土木工程的專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)幾乎都是以張量符號(hào)進(jìn)行理論描述，所以應(yīng)增加張量基本理論的教學(xué)內(nèi)容，使研究生盡快適應(yīng)這種描述方式.(2)以杜慶華等編著的《彈性理論》［4］等為代表的彈性力學(xué)教材偏重于力學(xué)理論，它適合力學(xué)系的研究生，但對(duì)土木類(lèi)的研究生則有一定的困難.(3)目前的彈性力學(xué)教材花了比較大的篇幅來(lái)闡述解析解的推導(dǎo)，如開(kāi)爾文解、布斯涅克解等三維解析解、平面問(wèn)題的各解析解、厚壁圓筒和旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的解析求解過(guò)程等.實(shí)際上，這些經(jīng)典的解析解數(shù)量并不多，而且都可以從相關(guān)的力學(xué)手冊(cè)中查到.除了少數(shù)特定的需要，一般學(xué)生沒(méi)有太大的必要重復(fù)這些解的求解過(guò)程，從而擺脫繁雜的推導(dǎo)過(guò)程，這樣就可以把教學(xué)重點(diǎn)放在如何能快速有效地查找到這些經(jīng)典的解析解，并使學(xué)生了解這些解析解的具體應(yīng)用.換言之，土木類(lèi)研究生只需要了解各類(lèi)解析解的來(lái)源，重點(diǎn)則應(yīng)放在具體應(yīng)用上.(4)有限變形等非線性分析在土木工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如極限載荷分析、結(jié)構(gòu)的大變形分析、連續(xù)倒塌問(wèn)題等.但目前的彈性力學(xué)教材很少介紹這方面的內(nèi)容，如變形的歐拉描述和拉格朗日描述、格林應(yīng)變和阿爾曼西應(yīng)變、柯西應(yīng)力和Piola-Kichhoff應(yīng)力、有限變形下的平衡方程和本構(gòu)關(guān)系［8－9］等.而這些內(nèi)容是有限變形有限元分析的必備理論基礎(chǔ)，應(yīng)該予以介紹.(5)彈性理論作為一門(mén)理論基礎(chǔ)課，其主要目的之一是為有限元等數(shù)值解法提供理論基礎(chǔ)，所以變分理論是非常重要的一部分內(nèi)容，而且應(yīng)該強(qiáng)調(diào)各類(lèi)變分原理和各種有限元解法之間的關(guān)系.變分理論基于泛函的極值分析，一般的教科書(shū)對(duì)泛函和變分概念的介紹不夠，往往造成很多學(xué)生學(xué)完了彈性力學(xué)后，卻對(duì)變分和泛函的概念都不清楚，這種情況不利于以后研究工作的開(kāi)展.

3 適于工科類(lèi)研究生的彈性力學(xué)教學(xué)內(nèi)容探討

基于以上考慮，研究生的彈性力學(xué)課程需要增加彈性理論基礎(chǔ)知識(shí)方面的內(nèi)容，尤其是應(yīng)增加一部分連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和張量分析的初步知識(shí)，這不僅可為有限元軟件的使用打下比較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，而且還能為以后的科研工作打下比較扎實(shí)的理論基礎(chǔ).另一方面，對(duì)一些略顯過(guò)時(shí)的知識(shí)點(diǎn)，如復(fù)變函數(shù)解法、級(jí)數(shù)解法等可以少講，甚至不講.對(duì)于一些彈性力學(xué)解析解的具體推導(dǎo)過(guò)程和準(zhǔn)備知識(shí)，可以少講一些，重點(diǎn)則放在這些解的具體應(yīng)用上.基于以上考慮，結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，筆者認(rèn)為研究生彈性力學(xué)的教學(xué)應(yīng)主要包括以下內(nèi)容:(1)張量的基本概念和笛卡爾張量分析初步介紹;(2)有限變形分析初步和小變形簡(jiǎn)化分析;(3)柯西應(yīng)力分析及小變形情況的平衡方程描述，有限變形情況下的各種應(yīng)力定義及平衡方程描述;(4)本構(gòu)理論簡(jiǎn)介，線彈性本構(gòu)方程的張量表示，有限變形下的本構(gòu)方程簡(jiǎn)介;(5)線彈性力學(xué)基本方程的張量描述及線彈性體的基本原理;(6)空間問(wèn)題、接觸問(wèn)題、平面問(wèn)題及厚壁圓筒等彈性問(wèn)題的解析解介紹;(7)彈性理論的變分原理及其與有限元分析的聯(lián)系等.所用教材應(yīng)采用坐標(biāo)分量形式表述與張量表述相結(jié)合的方式，這一方面有利于學(xué)生的接受，更重要的是可為他們以后的研究工作打下基礎(chǔ).在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)注重基本概念和基本控制方程的介紹;注重利用互聯(lián)網(wǎng)、力學(xué)手冊(cè)等有效地查找到經(jīng)典的解析解，了解其歷史和來(lái)源，但簡(jiǎn)化甚至不講解其復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，并通過(guò)實(shí)例講解一些解析解的具體應(yīng)用;強(qiáng)調(diào)彈性力學(xué)是有限元等數(shù)值分析的理論基礎(chǔ)，并舉例說(shuō)明應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行求解時(shí)應(yīng)注意的力學(xué)問(wèn)題，培養(yǎng)研究生解決實(shí)際問(wèn)題的能力.

筆者在具體的教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合國(guó)外一些著名大學(xué)的教學(xué)實(shí)踐，采用自編教程進(jìn)行教學(xué)，取得了一定的教學(xué)效果.下面是教學(xué)過(guò)程中所采用的具體教學(xué)內(nèi)容:

1)張量的基本概念和笛卡爾張量分析初步介紹:從國(guó)內(nèi)外有關(guān)張量分析和彈性力學(xué)的專(zhuān)著和教科書(shū)［1，4，8］中精選有關(guān)內(nèi)容，使研究生能在有限的學(xué)時(shí)(6～9個(gè)學(xué)時(shí))內(nèi)掌握張量分析的基本概念和笛卡爾張量的演算技能，能基本看懂彈性力學(xué)有關(guān)公式的張量符號(hào)表述，從而為以后的學(xué)習(xí)和研究工作打下基本的力學(xué)基礎(chǔ).

2)Chaucy應(yīng)力分析:采用笛卡爾張量符號(hào)描述柯西應(yīng)力、應(yīng)力邊界條件和平衡微分方程.應(yīng)力分析部分中，主應(yīng)力和主方向可以從直接求解應(yīng)力矩陣的特征值和特征向量得到，因?yàn)槔糜?jì)算機(jī)軟件，如MATLAB等很容易就可以得到這些解.

3)有限變形簡(jiǎn)介、小變形應(yīng)變分析及有限變形的應(yīng)力描述:從有限變形的歐拉描述和拉格朗日描述概念開(kāi)始，建立構(gòu)形和變形的概念;由變形梯度張量及極分解建立格林－拉格朗日應(yīng)變和阿爾曼西應(yīng)變;在小變形情況下建立工程應(yīng)變的概念;建立在有限變形下相對(duì)于初始構(gòu)形的Piola-Kichhoff應(yīng)力及其與Chaucy應(yīng)力的關(guān)系，并建立有限變形下的平衡微分方程［8－9］.這一部分是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本內(nèi)容，一般相關(guān)著作中的描述都比較晦澀難懂，而且往往又分散于不同的章節(jié)，但它又是有限變形分析所必不可少的.在教學(xué)過(guò)程中，不失一般性的前提下，應(yīng)盡量做到深入淺出，讓學(xué)生既能理解有限變形理論，又不陷于冗長(zhǎng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，著重有限變形概念的建立.

4)本構(gòu)理論簡(jiǎn)介及線彈性本構(gòu)方程的張量表示:現(xiàn)代本構(gòu)方程理論簡(jiǎn)介;從熱力學(xué)基本定理出發(fā)，建立線彈性體的本構(gòu)方程，并討論各向同性彈性體彈性系數(shù)的簡(jiǎn)化;各向同性彈性體胡克定律的張量表述;簡(jiǎn)單介紹了大變形小應(yīng)變情況下的彈性本構(gòu)關(guān)系，這對(duì)于理解彈性體的大變形求解方法非常有幫助.

5)線彈性力學(xué)基本方程及基本原理:綜合考慮線彈性體的應(yīng)力、應(yīng)變、本構(gòu)關(guān)系及邊界條件和初始條件，建立彈性力學(xué)基本方程位移解法和應(yīng)力解法的張量形式;討論疊加原理和解的惟一性原理及圣維南原理;討論平面應(yīng)力問(wèn)題和平面應(yīng)變問(wèn)題的定義及相應(yīng)的彈性力學(xué)基本方程.這一部分內(nèi)容對(duì)研究生以后的研究工作非常重要，應(yīng)重點(diǎn)講述，尤其是彈性力學(xué)基本方程的張量描述方式.

6)彈性問(wèn)題求解的逆解法、半逆解法及解析解的運(yùn)用:典型三維彈性力學(xué)問(wèn)題及接觸問(wèn)題的解析解介紹及其應(yīng)用;柱形桿扭轉(zhuǎn)的基本理論及解析解介紹;平面問(wèn)題解析解的求法及查找方法.在教學(xué)過(guò)程中，不局限于具體推導(dǎo)過(guò)程，而注重其推導(dǎo)思路及具體應(yīng)用、查找和驗(yàn)證.適當(dāng)介紹常用的力學(xué)手冊(cè)等資源，同時(shí)介紹這些解的具體應(yīng)用.如布斯涅克解被直接用于土力學(xué)中地基沉降量的計(jì)算，混凝土劈裂實(shí)驗(yàn)中的拉應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算公式來(lái)源于平面問(wèn)題中楔體的解析解等.這樣能使學(xué)生增加學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣，提高教學(xué)效果.

7)彈性理論的變分原理:介紹變形體的虛功原理;介紹泛函及變分的基本概念和泛函極值問(wèn)題的數(shù)學(xué)提法;介紹彈性理論常用的幾類(lèi)變分原理及廣義變分原理.

8)彈塑性理論的數(shù)值解及通用有限元分析軟件介紹和初步應(yīng)用:介紹李茲法及有限元分析的基本概念;介紹通用有限元分析程序Ansys或Abaqus;舉例說(shuō)明彈性力學(xué)問(wèn)題的有限元求解方法及分析技術(shù).

4 結(jié)論

本文討論了土木等工科類(lèi)研究生用彈性力學(xué)教材和教學(xué)過(guò)程中的一些問(wèn)題，探討了適合現(xiàn)代土木類(lèi)研究生用的彈性力學(xué)教材應(yīng)包括的教學(xué)內(nèi)容.在教學(xué)實(shí)踐中，筆者把這些想法應(yīng)用于實(shí)際的教學(xué)過(guò)程，并取得了一些教學(xué)效果，希望這些嘗試能為我國(guó)彈性力學(xué)的教學(xué)改革工作有所幫助.

［1］杜慶華.工程力學(xué)手冊(cè)［M］.北京:高等教育出版社，1994.

［2］謝貽權(quán)，林鐘祥，丁皓江.彈性力學(xué)［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，1988.

［3］錢(qián)偉長(zhǎng)，葉開(kāi)源.彈性力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，1956.

［4］杜慶華.彈性理論［M］.北京:教育科學(xué)出版社，1986.

［5］TIMOSHENKO S，GOODIER J N.Theory of Elasticity［M］.3rd ed.New York:McGraw-Hill，1970.

［6］徐芝綸.彈性力學(xué)(上，下冊(cè))［M］.第3版.北京:高等教育出版社，1990.

［7］徐芝綸.彈性力學(xué)簡(jiǎn)明教程［M］.第3版.北京:高等教育出版社，2001.

［8］GREEN A E，ZERNA W.Theoretical Elasticity［M］.2nd ed.Oxford University Press，1968.

［9］MALVERN L E.Introduction to the Mechanics of a Continuous Medium［M］.New Jersey:Prentice Hall，1969.

Educational Reform Attempts of Theory of Elasticity for civil engineering graduates

YANG Dong-quan，PENG Hong

(School of Civil Engineering，Hainan University ，Haikou 570228，China)

Theory of Elasticityis one of the major foundational courses of civil engineering graduate education.In order to be more suitable for current civil engineering graduate education，it is necessary to make reform for traditional teaching content，teaching material and teaching methodology of this course.In the report，the teaching content reform of the course was discussed.

theory of elasticity;improvement of teaching material;educational reform

G 420 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

A

1004－1729(2011)01－0095－04

2010－11－04

海南省自然科學(xué)基金資助(808100)

楊東全(1967－)，男，山東陽(yáng)谷人，海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院教授，博士.