《金屬結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)》問題分析與對(duì)策研究

李宏娟+髙有山

【摘 要】 針對(duì)本科生《金屬結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)》中的具體問題：如何下手做設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)時(shí)的主要結(jié)構(gòu)尺寸如何合理確定及其簡(jiǎn)化方法等進(jìn)行分析，提出對(duì)策，為老師們指導(dǎo)課程設(shè)計(jì)提供一些建議，也為大四本科生做課程設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 金屬結(jié)構(gòu)；課程設(shè)計(jì)；對(duì)策

【Abstract】 Analysis has been conducted on specific problems like how to set out a design， how to rationally determine main structure and size during design and what is its simplified method， etc. for undergraduate on Course Design for Metal Structure， not only providing some suggestions for guiding teachers to do the course design， but also offering important reference base for senior undergraduates to do the course design.

【Key Words】 Metal Structure， Course Design， Countermeasure

【中圖分類號(hào)】 G64.22 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2095-3089（2016）31-00-02

引言：

對(duì)工科學(xué)生來講，大學(xué)四年的實(shí)踐環(huán)節(jié)如金工實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等都是高校工程教育培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，也是檢驗(yàn)高校工程教育培養(yǎng)質(zhì)量的重要指標(biāo)。尤其是大四學(xué)生的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)他們畢業(yè)后很快適應(yīng)設(shè)計(jì)工作起到了決定性的作用。因此，指導(dǎo)教師不僅要認(rèn)真指導(dǎo)相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)，還要把實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要性告知學(xué)生，否則，學(xué)生稀里糊涂的做完設(shè)計(jì)后都不知為何“做”，“做”為何。

機(jī)自專業(yè)起機(jī)方向是本校傳統(tǒng)特色優(yōu)勢(shì)專業(yè)方向之一，四門專業(yè)特色課程《起重機(jī)械》、《金屬結(jié)構(gòu)》、《輸送機(jī)械》、《工業(yè)車輛》分別對(duì)應(yīng)《起重機(jī)械課程設(shè)計(jì)》、《金屬結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)》、《輸送搬運(yùn)機(jī)械課程設(shè)計(jì)》（對(duì)應(yīng)《輸送機(jī)械》《工業(yè)車輛》兩門課）三個(gè)課程設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了本專業(yè)方向的傳統(tǒng)課程與實(shí)踐環(huán)節(jié)結(jié)合緊密的特點(diǎn)，也為學(xué)生做畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因而這三個(gè)課程設(shè)計(jì)的重要性不言而喻。筆者擔(dān)任該專業(yè)方向的《金屬結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)》指導(dǎo)老師，在多次指導(dǎo)該課程設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)了一些共性問題，也在多次指導(dǎo)設(shè)計(jì)時(shí)做了很多思考和研究，現(xiàn)將具體問題及對(duì)策逐一進(jìn)行分析。

1 明確設(shè)計(jì)概念

一聽到課程設(shè)計(jì)，學(xué)生還有些摸不著頭腦，總是要讓指導(dǎo)教師提供算例，否則，無從下手。而在指導(dǎo)教師提供算例之后，學(xué)生又一味只會(huì)照算例上按部就班的進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，不敢有一點(diǎn)“創(chuàng)新”，完全違背了設(shè)計(jì)的本意。設(shè)計(jì)應(yīng)該是“求異”的過程，而不是“求同”。學(xué)生在參考算例后只知其然，不知其所以然。所以，指導(dǎo)教師不僅要讓學(xué)生明白每一個(gè)課程設(shè)計(jì)的目的、意義、方法，還要讓學(xué)生清楚設(shè)計(jì)的概念，即“設(shè)計(jì)——從無到有，計(jì)算——從有到數(shù)，繪圖——從數(shù)到圖，制造——從圖到物”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)全過程。

2 《金屬結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)》中典型問題分析與對(duì)策

2.1簡(jiǎn)化箱形梁截面設(shè)計(jì)

《金屬結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)》中通用橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)中最為典型的一類，在此類設(shè)計(jì)中，通常采用箱形梁截面。即由四塊鋼板焊接組成封閉截面（如圖1），分別是上蓋板1、腹板2、3和下蓋板4，然而確定每塊板的尺寸就成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)，通常是把截面看成一個(gè)整體，即確定梁的高度h、寬度B和板厚δ，即使如此，尺寸參數(shù)有腹板高h(yuǎn)1，蓋板寬B1，和四塊板的厚度δ1，δ2，δ3，δ4，翼緣外伸Le（外伸尺寸相同）7個(gè)，不論是通過編軟件還是手工計(jì)算截面特性，都是一件比較繁瑣的事情，尤其是設(shè)計(jì)過程中需要調(diào)整改變參數(shù)多次計(jì)算，不僅用時(shí)長(zhǎng)，而且出錯(cuò)率高。本文提供一種簡(jiǎn)化截面方法，將截面簡(jiǎn)化為封閉模壓箱形截面（如圖2），即h1不變，b1=B1，δ1=δ2=δ3=δ4=δ，Le=0，截面尺寸參數(shù)減少到3個(gè)：高、寬、板厚，且截面特性計(jì)算簡(jiǎn)化，截面特性計(jì)算公式如下：

從公式中，明顯能夠看出計(jì)算簡(jiǎn)化，而且，手工計(jì)算也用時(shí)短，準(zhǔn)確率高，便于調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)多次計(jì)算。從該簡(jiǎn)化截面得到主要截面尺寸參數(shù)后，再根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，比如，偏軌箱形梁可以將主腹板厚度適當(dāng)增大，輪壓作用的翼緣板厚度適當(dāng)增大等。截面簡(jiǎn)化前后的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

通過表中10組數(shù)據(jù)的計(jì)算可以得出，簡(jiǎn)化后截面的凈截面積平均減小1.13%，慣性矩平均減小4.14%；反過來，根據(jù)簡(jiǎn)化截面得到的標(biāo)準(zhǔn)焊接箱形梁截面凈截面積和慣性矩均增大，因而設(shè)計(jì)結(jié)果是偏安全的。

2.2載荷計(jì)算時(shí)抓主要矛盾

在做主梁載荷計(jì)算時(shí)，學(xué)生對(duì)小車架結(jié)構(gòu)及小車輪壓分配理解不充分，有時(shí)無法確定小車架重心位置及吊鉤位置的精確值即圖3中l(wèi)1、l2、e的值。這里提供一個(gè)簡(jiǎn)化方法，在設(shè)計(jì)時(shí)抓住問題的主要矛盾，若沒有做小車架設(shè)計(jì)且原始設(shè)計(jì)參數(shù)中沒有給出相應(yīng)小車架結(jié)構(gòu)參數(shù)，可忽略吊鉤和小車架重心的偏心距，將小車架重心和吊鉤位置視為在小車架中心來做初步計(jì)算，即e=0，，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。下面將靜輪壓的精確計(jì)算與簡(jiǎn)化計(jì)算做一比較如表2，簡(jiǎn)化前計(jì)算參照教材第九章[1]，簡(jiǎn)化后計(jì)算公式如下

從表2可以看出，簡(jiǎn)化后的靜輪壓比承載較大的主梁上的小車輪壓總和小10%左右，看似簡(jiǎn)化后的載荷比實(shí)際載荷小，計(jì)算偏危險(xiǎn)，實(shí)則不然。危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度驗(yàn)算是取內(nèi)力最大截面，在簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)，往往將小車輪距忽略，跨中危險(xiǎn)截面的最大彎矩，下面再進(jìn)行一組比較，取表2中的PQ=50t，PGx=16t這組數(shù)據(jù)，將精確計(jì)算小車輪壓及作用點(diǎn)下的最大彎矩與簡(jiǎn)化計(jì)算小車輪壓情況下的最大彎矩值進(jìn)行計(jì)算比較如表3，承載較大的主梁力學(xué)模型及彎矩圖如圖4所示。

從表3可以看出，按簡(jiǎn)化后的模型計(jì)算最大彎矩，與精確計(jì)算小車輪壓及作用點(diǎn)下的最大彎矩相比，隨著跨度與小車輪距比值的增大彎矩增大率呈下降趨勢(shì)，比值較小時(shí)，彎矩增大率為正值，簡(jiǎn)化模型彎矩大；比值較大時(shí)，彎矩增大率為負(fù)值，精確計(jì)算彎矩大。也就是簡(jiǎn)化計(jì)算和精確計(jì)算結(jié)果的安全性并無優(yōu)劣，但簡(jiǎn)化模型計(jì)算方便，故做設(shè)計(jì)時(shí)可先按簡(jiǎn)化模型進(jìn)行初步設(shè)計(jì)計(jì)算，如有精確原始數(shù)據(jù)參數(shù)，再按照精確模型進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3正確使用經(jīng)驗(yàn)公式

在做設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生往往喜歡套用教材上的經(jīng)驗(yàn)公式，如：

箱形主梁的高，寬及

從計(jì)算的范圍中選擇一個(gè)值，然后定出截面再進(jìn)行校核驗(yàn)算，驗(yàn)算不合格重新選擇參數(shù)，但始終不敢超出經(jīng)驗(yàn)公式的范圍，這樣就導(dǎo)致很多學(xué)生設(shè)計(jì)結(jié)果不理想（驗(yàn)算的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性與許用值相差較大）。因此，筆者在這里給出一些指導(dǎo)性對(duì)策：

（1）在初步設(shè)計(jì)時(shí)，可以先按經(jīng)驗(yàn)公式選取參數(shù)，但選取時(shí)也要考慮起重量，起重量大的選較大值，起重量小的選較小值，然后進(jìn)行初步校核驗(yàn)算；

（2）驗(yàn)算合格且合理（占許用值的80%左右），則可將該設(shè)計(jì)參數(shù)作為最終設(shè)計(jì)結(jié)果；

（3）驗(yàn)算合格但不合理（小于許用值的50%），則重新選擇截面參數(shù)，若梁高取到經(jīng)驗(yàn)公式的下限驗(yàn)算值還較小，這時(shí)，可以完全拋開經(jīng)驗(yàn)公式的限制，梁高可以降到經(jīng)驗(yàn)公式下限以下，要根據(jù)自己的設(shè)計(jì)參數(shù)適當(dāng)調(diào)整截面參數(shù)；

（4）驗(yàn)算不合格（大于許用值20%以上），則增大截面梁高，若取到經(jīng)驗(yàn)公式的上限還較大，則可以增加到經(jīng)驗(yàn)公式上限以上，具體情況要視自己的設(shè)計(jì)參數(shù)來定。

以上四點(diǎn)也是筆者的經(jīng)驗(yàn)之談，給初步做設(shè)計(jì)的學(xué)生一些方向性的指導(dǎo)。設(shè)計(jì)參數(shù)千差萬別，驗(yàn)算結(jié)果也會(huì)有各種情況，學(xué)生要做好設(shè)計(jì)，至少要經(jīng)過三至五次的反復(fù)驗(yàn)算。否則，設(shè)計(jì)結(jié)果不會(huì)太理想。

3 結(jié)論

《金屬結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)》是本校機(jī)自專業(yè)起機(jī)方向?qū)W生《金屬結(jié)構(gòu)》課程理論聯(lián)系實(shí)踐的“實(shí)戰(zhàn)演習(xí)”，也是為畢業(yè)設(shè)計(jì)打基礎(chǔ)的一次“大練兵”，學(xué)生要從思想上給予重視，端正態(tài)度，明確設(shè)計(jì)概念，清楚設(shè)計(jì)方法，理清設(shè)計(jì)思路，抓住設(shè)計(jì)重點(diǎn)，結(jié)合上述幾個(gè)典型問題及對(duì)策，根據(jù)各自的設(shè)計(jì)參數(shù)，具體問題具體分析，做出具有創(chuàng)新思想的合理設(shè)計(jì)，為自己交一份圓滿的課程設(shè)計(jì)答卷。

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