结合工程的材料力学课程大作业教学实践

宋向荣++万超++沈超明

摘要：为培养学生工程素质和应用能力，在材料力学课程教学中设计大作业，引导学生进行模型简化、分析计算、设计测试方案、测试数据处理等，与课程理论紧密联系，锻炼学生综合素质。以张弦桁架张拉分析为例，从大作业要求、简要分析和案例小结三个方面，细述大作业实施过程。最后对教学实践中的一些细节及大作业教学实践价值进行了总结。

关键词：材料力学；大作业；教学方法；工程应用

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）16-0166-02

材料力学课程是工科院校机械工程等较多专业的专业基础课，该课程的特点是理论严密、逻辑性强并且与工程实际紧密联系，如何将材料力学课程教学与培养学生的工程应用能力和创新能力相结合具有重要意义。近年来，随着高校教育教学改革的不断深入与广大教师的不断实践，越来越重视学生的工程应用能力和创新能力的培养[1-6]。笔者在教学实践中将工程实践知识与学生动手能力和实际应用能力相结合，开发紧密联系工程的课程大作业，培养学生对材料力学课程知识的综合应用能力和工程素养。

一、材料力学大作业的教学设计

大作业的设计一般要求结合一定工程背景，提供相应图纸、参数、工作原理等，锻炼学生读懂图纸、提炼力学模型的能力；大作业的内容结合专业知识、工程实例或相关后续课程，列出一定的参考书及参考文献，需要学生学会阅读，自主学习；大作业的设计最好采取开放式的结论，给定设计参数让学生分析研究方案，或给定必要功能进行相关参数的设计。限于篇幅这里仅列举某张弦桁架张拉过程分析得工程案例案例。

1.某桁架结构张拉应力测试与分析案例。某体育馆张弦桁架屋盖结构，最大跨度115米，单榀最大重量约128吨。以某一榀桁架为例，可简化为由屋盖主桁架、撑杆和张弦等三部分组成的平面桁架，如图1b所示。屋盖组装完成后，通过张拉机构收紧张弦AB，使屋盖主桁架DABE起拱至设计高度，屋盖成形。

2.作业要求。①某一榀桁架简化为平面桁架，由设计图纸给定各节点坐标。在施工过程中，张弦AB两端同时张拉，撑杆上端与主桁架铰接，下端与张弦间可自由滑动，并能保证撑杆始终保持竖直。试分析该平面桁架的超静定次数。②求解该超静定结构。假设已知主桁架的抗弯刚度EI，轴力和剪力引起的变形忽略，重力均匀分布。③已知主桁架总重105吨，索重67.4kG/m，忽略撑杆重。各节点应力及跨中挠度由实测给定。试计算主桁架的近似抗弯刚度。

3.简要分析。由材料力学知识分析，该结构可简化为一次超静定结构，去除张弦得到其静定基如图2。

撑杆的内力F■（i=1，2，…，9）可由分析节点D■的平衡方程求得。由于对称性，取左侧一半节点分析，其受力图如图3。

角度θ■由原始尺寸计算，平衡方程为：

F■cosθ■=F■cosθ■

（i=1，2，3，4） （1）

F■sinθ■-F■sinθ■-F■=0

（i=1，2，3，4） （2）

F■=2F■sinθ■ （3）

由于对称性，有F■=F■，F■=F■，由此，所有撑杆的内力都用F■表示。

变形协调条件为重力和张力共同作用下U■点的挠度为零，即可求得张弦的张力与重力之间的关系。

4.案例小结。这是一个实际工程问题，考查了学生以下方面的知识和能力：（1）考查了学生对超静定结构的分析能力，和解决超静定问题的能力。（2）该案例是工程实际问题的简化模型，但实测数据来自工程，在理论分析与工程测试之间的关系上，考查学生综合分析解决问题的能力。（3）由于结构复杂，对于张弦结构、张弦施工、胎架等工程问题，学生没有接触过，考查了学生的学习能力和理解能力。

二、材料力学大作业的实践价值

材料力学大作业的教学实践引入了大量工程问题，引导学生在模型简化、设计图纸解读、试验方案等方面学习工程知识的同时，进一步加深理解了材料力学课程与工程应用的联系。材料力学大作业的实施让学生充分认识到材料力学作为基本理论分析手段在工程应用中的重要性。由于条件限制，不可能让很多同学参与工程项目研究；并且学生还没有有限元基础，分析手段略有欠缺，但通过对实测数据的分析与处理，同样起到锻炼学生分析解决问题的能力。在材料力学课程教学过程中，结合实践性教学环节锻炼和培养学生的综合素质是当代大学教育改革的一个显然趋势，很多教师和同行都提出了许多很好的方法。本文仅是教学过程中的一个小的实践，在结合工程实际合理选题、优化课堂教学内容与课外学习之间的关系、培养和调动学生参与积极性等方面还需要不断改进，作者希望通过本文起到一个抛砖引玉的作用，希望得到同行的批评指正。

参考文献：

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[2]刘小蛮，杜国君，材料力学实验教学思考——会做、会用、會意[J].力学与实践，2013，35（4）：74-77.

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