應(yīng)用型本科院校工程力學(xué)課程教學(xué)改革探索

時(shí)強(qiáng) 王新武 孔劉林

摘要：采用一個(gè)工程實(shí)例，從工程背景介紹、力學(xué)模型建立到問(wèn)題求解三個(gè)步驟展示如何實(shí)施基于工程實(shí)踐的工程力學(xué)創(chuàng)新教學(xué)。這種教學(xué)方法不僅有助于活躍課堂氛圍，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，還可以讓學(xué)生從工程實(shí)踐的角·度思考工程力學(xué)課程學(xué)習(xí)，更有利于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：工程實(shí)踐;工程力學(xué);創(chuàng)新教學(xué);實(shí)例

教育家傅任敢說(shuō)，學(xué)習(xí)是一件好事，同時(shí)也是一件困難的事情，只有通過(guò)學(xué)習(xí)的實(shí)踐才能體會(huì)學(xué)習(xí)的好處和困難。在當(dāng)代高校教學(xué)改革中，以傳授知識(shí)為主要特征的傳統(tǒng)教學(xué)正在向以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐和應(yīng)用能力為主要特征的應(yīng)用型教學(xué)轉(zhuǎn)變。工程力學(xué)作為土木、機(jī)械、材料等理工類(lèi)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課，理論性強(qiáng)，邏輯嚴(yán)密，是后續(xù)諸多核心專(zhuān)業(yè)課程的重要基礎(chǔ)。近年，各高校紛紛制定了適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的新課程大綱。新大綱中，工程力學(xué)課時(shí)被進(jìn)一步壓縮，按照傳統(tǒng)課程體系進(jìn)行系統(tǒng)的公式推導(dǎo)和習(xí)題講解的‘授課模式已經(jīng)無(wú)法實(shí)施。因此，如何在精簡(jiǎn)課時(shí)的同時(shí)達(dá)到良好的教學(xué)效果，成為當(dāng)前應(yīng)用型本科類(lèi)院校工程力學(xué)課程改革的首要任務(wù)?；诠こ虒?shí)踐的工程力學(xué)教學(xué)無(wú)疑是一條有效的途徑，工程實(shí)踐不僅可以開(kāi)闊學(xué)生視野，給予學(xué)生最直觀的感受，同時(shí)可以加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的理解，把握理論指導(dǎo)實(shí)踐的思路，提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。本研究通過(guò)一個(gè)實(shí)例探討基于工程實(shí)踐的工程力學(xué)創(chuàng)新教學(xué)模式改革。

一、工程實(shí)踐背景介紹

泵站是市政排水系統(tǒng)的心臟，在城市供排水管網(wǎng)中為系統(tǒng)提供動(dòng)力。為了保護(hù)泵站，通常要在地下管網(wǎng)系統(tǒng)中修建泵站井（房）。傳統(tǒng)的泵站井采用磚砌結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)，施工周期較長(zhǎng)，滲漏事故頻發(fā)。近幾年，一種新型復(fù)合材料泵站井在市政工程中逐漸得到應(yīng)用，這種泵站井可根據(jù)用戶(hù)要求在工廠(chǎng)預(yù)制，然后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)安裝，具有施工周期短、自重輕、防滲性能好、能與其他設(shè)備完美結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。埋地復(fù)合材料泵站井更具有減少地上設(shè)施占地面積、與周?chē)h(huán)境融合的顯著優(yōu)勢(shì)，符合“海綿城市”建設(shè)的要求。

這種新型的復(fù)合材料泵站井目前尚無(wú)國(guó)家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，各生產(chǎn)企業(yè)大多基于復(fù)合材料容器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，或者憑借工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了控制生產(chǎn)成本，部分企業(yè)對(duì)泵站井產(chǎn)品的用材不斷進(jìn)行壓縮，這就導(dǎo)致在井體安裝或者運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一系列問(wèn)題，如開(kāi)裂、失穩(wěn)等。

基于以上工程背景，我們以解決實(shí)際工程問(wèn)題展開(kāi)工程力學(xué)的創(chuàng)新教學(xué)。

二、工程實(shí)踐抽象為力學(xué)模型

新型泵站井直徑3米，高度20米。泵站井底部與基礎(chǔ)采用預(yù)埋螺栓連接。泵站井實(shí)物如圖1所示，泵站井結(jié)構(gòu)如圖2所示。

教學(xué)中，首先我們需要引導(dǎo)學(xué)生將工程問(wèn)題抽象為力學(xué)模型。工程實(shí)際進(jìn)行當(dāng)中，有一部分問(wèn)題可以直接按工程力學(xué)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性公式來(lái)求解，如起吊機(jī)的吊繩可按軸向拉壓強(qiáng)度公式來(lái)校核，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸可以按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和剛度公式來(lái)計(jì)算，橋式起重機(jī)的大梁可以直接按彎曲強(qiáng)度和剛度公式來(lái)分析。對(duì)于這些問(wèn)題，我們首先可以通過(guò)工程力學(xué)靜力學(xué)的理論，按支撐條件和載荷分布求出內(nèi)力，進(jìn)而按強(qiáng)度、剛度公式去求解危險(xiǎn)截面的應(yīng)力。如要進(jìn)行強(qiáng)度校核，需弄清楚這些構(gòu)件所用的材料屬性，如材料許用應(yīng)力等，剛度校核時(shí)，還要結(jié)合相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

對(duì)于本例來(lái)說(shuō)，可將工程實(shí)際抽象為以下力學(xué)問(wèn)題。

問(wèn)題1：如考慮筒體自重及封底所受的浮力，則可以將其簡(jiǎn)化為軸向受力構(gòu)件進(jìn)行壓縮強(qiáng)度分析。

問(wèn)題2;由于井筒直徑較大，井體安裝時(shí)，要求從基坑底層開(kāi)始逐層回填并夯實(shí)，如若從一側(cè)回填土過(guò)多，而另一側(cè)尚未回填，則可簡(jiǎn)化為懸臂梁受三角分布載荷按彎曲強(qiáng)度公式進(jìn)行分析。

問(wèn)題3：井體安裝后，主要的載荷為四周回填土的外壓，對(duì)于這種工況，要借助強(qiáng)度理論進(jìn)行分析。

三、工程買(mǎi)踐問(wèn)題的力學(xué)求解

問(wèn)題1：課堂教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生從簡(jiǎn)單問(wèn)題人手，逐步建立分析自信。上述第一個(gè)問(wèn)題為工程力學(xué)課程中四種基本變形中的第一種，也是最簡(jiǎn)單的，即軸向拉壓。要解決強(qiáng)度問(wèn)題，首先給出強(qiáng)度公式：

根據(jù)強(qiáng)度條件公式，我們至少需要知道兩個(gè)量才可以確定第三個(gè)量。根據(jù)甲方提供的設(shè)計(jì)條件，其設(shè)計(jì)壓力為井筒外壓，按靜水壓力施加，泥漿密度為1600kg/m³。材料需用應(yīng)力為已知，見(jiàn)表1。結(jié)構(gòu)的軸向載荷為筒體自重及封底所受的浮力引起，井底浮力方向向上，其值為：

泵站井自重值沿高度變化：

G_h=Ahρg

式中：A為井筒橫截面面積;

P為玻璃鋼的密度，按1800kg/m³計(jì)算;

g為重力加速度，取9.8m/s²;

h為計(jì)算高度。

則其應(yīng)力分別為

由于都是軸向應(yīng)力，故：

上式中，厚度δ為未知量，待求。這樣第一個(gè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度公式三類(lèi)問(wèn)題中的截面設(shè)計(jì)問(wèn)題。

將數(shù)據(jù)代人強(qiáng)度公式，可求得危險(xiǎn)截面（即最底層截面）的厚度：

式中：h=20m;D=3m;ρ=1800kg/m³;g=9.8m/s²;Yc=90MPa，n為安全系數(shù)。

前文已經(jīng)提到，進(jìn)入新時(shí)代，我們的教學(xué)要向應(yīng)用型教學(xué)轉(zhuǎn)變，引導(dǎo)學(xué)生向工程實(shí)際靠攏。那么，此處關(guān)于n的取值，對(duì)于不同的專(zhuān)業(yè)，我們應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生去查閱相關(guān)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的規(guī)范。玻璃纖維增強(qiáng)塑料作為一種復(fù)合材料，巳廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶海洋、汽車(chē)、化工容器等領(lǐng)域。其國(guó)際通用規(guī)范為《ASME RTP-1 2011》，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有《CECS190：2005》等。綜合實(shí)際，此處取安全系數(shù)為6。

問(wèn)題2：首先是工程實(shí)際問(wèn)題的力學(xué)簡(jiǎn)化。根據(jù)分析，可將泵站井筒簡(jiǎn)化為如下力學(xué)模型：

需首先確定危險(xiǎn)截面及其抗彎截面系數(shù)。進(jìn)而通過(guò)彎曲強(qiáng)度公式計(jì)算其環(huán)向應(yīng)力。

顯然，最危險(xiǎn)的截面為筒體根部與混凝土基礎(chǔ)相連的部位。該處的彎矩最大，為：

截面慣性矩按下式計(jì)算：

彎曲正應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中：y=D/2，其余參數(shù)取值同上。

問(wèn)題3：第三個(gè)問(wèn)題是工程力學(xué)的強(qiáng)度理論部分。通常，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在外載荷作用下，并不是單一的簡(jiǎn)單變形（拉壓、扭轉(zhuǎn)、剪切、彎曲）。而往往是這幾種基本變形的組合形式，因此我們不能僅靠基本變形的強(qiáng)度公式進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全校核，需要借助強(qiáng)度理論的相關(guān)知識(shí)。本例恰好是一個(gè)典型的平面應(yīng)力問(wèn)題。其軸向應(yīng)力與問(wèn)題1的求法一致。環(huán)向應(yīng)力需借助高等數(shù)學(xué)微積分的知識(shí)進(jìn)行求解。具體如下：

沿井筒軸向取一微段AL進(jìn)行分析，其力學(xué)模型如圖4所示。取0-1米間一微段的二分之一作為分析模型，其軸向內(nèi)力為：

F_N=ρ_YδΔL

在這部分圓筒內(nèi)壁的微面積OLD/2d甲，壓力為pΔLdΦ。其在Y方向的投影為pΔLdΦsinΦ。從0到π對(duì)上述投影積分：

∫pΔLdΦsinΦ=pΔLD

Y方向的平衡方程：

2ρδΔL+pΔLD=0

因此，環(huán)向應(yīng)力為：

將設(shè)計(jì)載荷p，筒體直徑D，及假定厚度δ代人上式，即可得該段筒壁上的環(huán)向應(yīng)力。

四、本工程實(shí)例與工程力學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

工程力學(xué)知識(shí)框架與本例的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。事實(shí)上，工程實(shí)踐中的很多間題都可以抽象為力學(xué)模型來(lái)分析，如橋梁、建筑及其構(gòu)件、汽車(chē)及其零部件等。本例中的泵站井，看似是一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，但其基本包括了工程力學(xué)（靜力學(xué)和材料力學(xué)）的全部知識(shí)。由此可見(jiàn)，工程力學(xué)課程是一門(mén)邏輯嚴(yán)密的課程，也是一門(mén)應(yīng)用性較強(qiáng)的技術(shù)課程，具有廣泛的通用性和較強(qiáng)的理論性，對(duì)學(xué)生的邏輯思維能力、分析能力和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)都至關(guān)重要。

五、結(jié)論

結(jié)合力學(xué)教學(xué)的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，筆者通過(guò)一個(gè)實(shí)例分析介紹了基于工程實(shí)踐的力學(xué)教學(xué)模式。目前，應(yīng)用型本科教學(xué)已進(jìn)入一個(gè)全面展開(kāi)的新階段，各省分別出臺(tái)了應(yīng)用型本科課程建設(shè)的若干新政策，隨著應(yīng)用型本科新大綱的逐步實(shí)施，工程力學(xué)課時(shí)進(jìn)一步壓縮，工程力學(xué)課程改革面臨著很多挑戰(zhàn)，作為一線(xiàn)教師，我們需要不斷優(yōu)化傳統(tǒng)課程內(nèi)容，與時(shí)俱進(jìn)，探索適用于培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用型本科人才的教學(xué)手段和方法。

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