机械专业结构力学课程的地位及其内容设置探讨

□ 郭空明 徐亚兰 段清娟

一、结构力学课程现状

结构力学是一门研究结构强度、刚度、稳定性以及动力学特性的古老学科，是土木建筑类和机械类专业的重要课程。广义上其研究对象覆盖杆、梁、板、壳、体等结构，在土木、航天、航空、船舶、机械等领域都有着重要作用。

由于课程学时有限，通常这门课的研究对象只包括杆、梁组成的桁架和刚架结构。教材的内容设置偏向土木建筑类专业。因此，目前结构力学课程在国内大多数高校机械类专业的培养计划中，只是列为选修课。“结构力学=土木”的观念根深蒂固，甚至一些高校的力学专业必修课中也不包括结构力学。

航天、航空、船舶等专业，往往针对学科特点自设相关结构力学课程，如飞行器结构力学、船舶结构力学等等，这些课程自然作为必修课程。而对于机械专业而言，由于其研究对象主要为机构，结构力学一般仅作为选修课程，只讲授一些桁架、刚架结构的静力学特性，这更加深了广大师生对这门课的偏见。

本文指出，结构力学作为力学课程的一块重要拼图，是不可或缺的。随着现代机械的发展，机构的强度和刚度问题也需要诉诸结构力学知识进行解决。而针对课程内容设置方面，一方面应强化能量原理这种基础知识，另一方面要突出电算技术的运用，适当删减一些涉及手算方法的内容。

二、结构力学课程在机械类专业中的地位

(一)结构力学课程是力学课程的重要组成部分。力学课程的特点是各门课之间相关性很强，形成一个密不可分的有机体。除了流体力学等个别课程独立性较强外，其它课程无论去掉其中任何一门课，都会给剩余课程的授课带来不便。具体到结构力学这门课程，则与以下机械类专业中开设的力学课程发生关联:一是理论力学:理论力学的静力学部分是结构力学的基础。同时结构力学中的虚功原理是虚位移原理的延伸。二是材料力学:材料力学研究杆件的强度、刚度、稳定性，而结构力学内容包括桁架、刚架的强度、刚度和稳定性，因此结构力学可视为材料力学的后续课程。三是振动力学:结构力学中的动力学部分是振动力学课程的进一步延伸。四是分析力学:分析力学中的第二类拉格朗日方程和哈密顿原理，是结构动力学建模的主要方法。五是有限元:有限元方法的思想就是将连续体离散，然后用结构力学的矩阵方法进行求解。结构力学课程中一般也包括桁架和刚架的有限元分析。

从上述的分析来看，结构力学主要起到“承上”的作用，它是一些课程如材料力学、振动力学的后续课程，同时它还将大量力学课程的知识串联在一起，综合运用。因此结构力学课程不但是学生先修课程的重要巩固，还培养了学生综合运用各门力学课程的能力，其重要性无需多言。

(二)结构力学课程在机械学科中的作用。机械学科以机构为研究对象。机构和结构一样，存在强度、刚度等问题。由于传统的机械设计中只考虑单个零件如螺钉、蜗杆、轴等的强度、刚度问题，因此使用材料力学知识就已足够。

随着现代机构向大型化、高速化、轻柔化、精密化发展，传统基于零部件的分析方法已不能满足实际需要。目前对于机构的强度和刚度分析，通常的做法是分析机构处于某个瞬时位姿的对应结构，将此刻机构的对应位姿状态当成一个固定的结构，增加惯性力后应用结构的分析方法来进行分析。另外一些机构在某些工作状态会锁定成为结构，比如飞机起落架，当其放下，处于死锁位置时，如要分析此时是否满足强度及刚度要求，则需要将其当作一个结构件来进行分析。最后还有目前广泛使用的可展开机构，或是柔索机构，当其处于展开状态，或是索受力张紧时，就形成一定的固定形态的结构，此时也需要应用结构力学分析方法来分析。

三、机械类专业结构力学课程内容设置探讨

结构力学课程授课内容一般从以下内容中进行选择:(1)几何构造分析;(2)能量原理;(3)静定桁架内力;(4)静定刚架内力;(5)能量原理求解位移;(6)影响线;(7)超静定结构内力分析;(8)结构矩阵分析(有限元);(9)结构动力学;(10)结构稳定性分析。

针对机械类专业现状以及结构力学发展趋势，这10部分内容可以作如下取舍，以满足少学时(如32学时)的要求:(1)几何构造分析:这部分内容与《机械原理》中的自由度分析原理相似，因此可以做简要介绍，不要讲解大量复杂的例题。(2)能量原理:弹性体的能量原理是力学原理的精华部分，这部分内容不但将作为本课程后续内容的基础，其内容还可以用在振动力学、分析力学、有限元等课程中，因此将作为重点讲解。(3)桁架内力:这部分内容为手算内容，且一般都已在理论力学中进行了讲解，所以可以不讲。(4)刚架内力:这部分内容是材料力学的延伸，需要做简单讲解，但不要涉及太复杂的例题。(5)能量原理求解位移:这部分内容是能量原理的具体应用，其广义力、广义位移的概念可与分析力学相关概念进行类比，因此需要进行一定学时的讲解。(6)影响线:该部分内容土木建筑的背景较浓，因此可不讲。(7)超静定结构内力分析:由于有限元方法(位移法)是目前的主流方法，因此可以只对力法求解超静定结构进行简单介绍。(8)结构矩阵分析:这部分内容是这门课的重点，包括桁架结构有限元方法和刚架结构有限元方法。对于刚架结构有限元方法，由于有了桁架结构的基础，学时数可略微减少。如果学生在其它课程中接触过Ansys等工程软件，也可以对运用Ansys求解结构力学问题的方法进行介绍。(9)结构动力学:这部分内容虽然对工程应用有重要意义，但其中的绝大部分内容学生在振动力学课程中都已学过，因此这部分内容只需讲授单元质量阵的生成，对其它内容做简单回顾和适当补充即可。(10)结构稳定性分析:对于传统的几何刚度矩阵方法的适用性，学术界存在争议，因此这部分内容可不讲授。

总之，课程内容的设置应淡化土木背景手算技巧，突出基本原理和电算方法。因此，以32学时为例，教学计划可做如下设置:(1)绪论:2学时。(2)几何构造分析:2学时。(3)能量原理:5学时。(4)刚架内力:2学时。(5)能量原理求解位移:4学时。(6)力法求解超静定问题:2学时。(7)桁架结构矩阵分析:8学时。(8)刚架结构矩阵分析:5学时。(9)结构动力学:2学时。

四、结语

结构力学作为力学课程的重要组成部分，也是机械强度、刚度分析的基础，在机械类课程中应当得到相应的重视。另外针对学科发展和机械专业特点，对如何设置结构力学课程的内容进行了探讨，以期这门课程在新时期机械专业的教学中充分发挥作用，同时焕发新的活力。

［1］龙驭球，包世华，匡文起等.结构力学 I——基本教程［M］.北京:高等教育出版社，2001

［2］孙焕纯，许强，李湘沅.框架结构的线性欧拉稳定理论［J］.应用力学学报，2008