应用型本科院校工程力学课程教学改革探索

时强 王新武 孔刘林

摘要：采用一个工程实例，从工程背景介绍、力学模型建立到问题求解三个步骤展示如何实施基于工程实践的工程力学创新教学。这种教学方法不仅有助于活跃课堂氛围，充分调动学生学习的主观能动性，还可以让学生从工程实践的角·度思考工程力学课程学习，更有利于激发学生创新思维能力的发展。

关键词：工程实践;工程力学;创新教学;实例

教育家傅任敢说，学习是一件好事，同时也是一件困难的事情，只有通过学习的实践才能体会学习的好处和困难。在当代高校教学改革中，以传授知识为主要特征的传统教学正在向以培养学生工程实践和应用能力为主要特征的应用型教学转变。工程力学作为土木、机械、材料等理工类专业的基础课，理论性强，逻辑严密，是后续诸多核心专业课程的重要基础。近年，各高校纷纷制定了适应新时代发展的新课程大纲。新大纲中，工程力学课时被进一步压缩，按照传统课程体系进行系统的公式推导和习题讲解的‘授课模式已经无法实施。因此，如何在精简课时的同时达到良好的教学效果，成为当前应用型本科类院校工程力学课程改革的首要任务。基于工程实践的工程力学教学无疑是一条有效的途径，工程实践不仅可以开阔学生视野，给予学生最直观的感受，同时可以加深学生对基础理论的理解，把握理论指导实践的思路，提高学生运用理论知识发现问题、分析问题、解决问题的能力。本研究通过一个实例探讨基于工程实践的工程力学创新教学模式改革。

一、工程实践背景介绍

泵站是市政排水系统的心脏，在城市供排水管网中为系统提供动力。为了保护泵站，通常要在地下管网系统中修建泵站井（房）。传统的泵站井采用砖砌结构或混凝土结构，施工周期较长，渗漏事故频发。近几年，一种新型复合材料泵站井在市政工程中逐渐得到应用，这种泵站井可根据用户要求在工厂预制，然后运输至施工现场安装，具有施工周期短、自重轻、防渗性能好、能与其他设备完美结合等优点。埋地复合材料泵站井更具有减少地上设施占地面积、与周围环境融合的显著优势，符合“海绵城市”建设的要求。

这种新型的复合材料泵站井目前尚无国家设计标准，各生产企业大多基于复合材料容器设计方法进行设计，或者凭借工程经验进行设计。为了控制生产成本，部分企业对泵站井产品的用材不断进行压缩，这就导致在井体安装或者运行过程中会出现一系列问题，如开裂、失稳等。

基于以上工程背景，我们以解决实际工程问题展开工程力学的创新教学。

二、工程实践抽象为力学模型

新型泵站井直径3米，高度20米。泵站井底部与基础采用预埋螺栓连接。泵站井实物如图1所示，泵站井结构如图2所示。

教学中，首先我们需要引导学生将工程问题抽象为力学模型。工程实际进行当中，有一部分问题可以直接按工程力学的强度、刚度和稳定性公式来求解，如起吊机的吊绳可按轴向拉压强度公式来校核，电动机的转轴可以按扭转强度和刚度公式来计算，桥式起重机的大梁可以直接按弯曲强度和刚度公式来分析。对于这些问题，我们首先可以通过工程力学静力学的理论，按支撑条件和载荷分布求出内力，进而按强度、刚度公式去求解危险截面的应力。如要进行强度校核，需弄清楚这些构件所用的材料属性，如材料许用应力等，刚度校核时，还要结合相关的设计规范要求。

对于本例来说，可将工程实际抽象为以下力学问题。

问题1：如考虑筒体自重及封底所受的浮力，则可以将其简化为轴向受力构件进行压缩强度分析。

问题2;由于井筒直径较大，井体安装时，要求从基坑底层开始逐层回填并夯实，如若从一侧回填土过多，而另一侧尚未回填，则可简化为悬臂梁受三角分布载荷按弯曲强度公式进行分析。

问题3：井体安装后，主要的载荷为四周回填土的外压，对于这种工况，要借助强度理论进行分析。

三、工程买践问题的力学求解

问题1：课堂教学中，引导学生从简单问题人手，逐步建立分析自信。上述第一个问题为工程力学课程中四种基本变形中的第一种，也是最简单的，即轴向拉压。要解决强度问题，首先给出强度公式：

根据强度条件公式，我们至少需要知道两个量才可以确定第三个量。根据甲方提供的设计条件，其设计压力为井筒外压，按静水压力施加，泥浆密度为1600kg/m³。材料需用应力为已知，见表1。结构的轴向载荷为筒体自重及封底所受的浮力引起，井底浮力方向向上，其值为：

泵站井自重值沿高度变化：

G_h=Ahρg

式中：A为井筒横截面面积;

P为玻璃钢的密度，按1800kg/m³计算;

g为重力加速度，取9.8m/s²;

h为计算高度。

则其应力分别为

由于都是轴向应力，故：

上式中，厚度δ为未知量，待求。这样第一个问题转化为强度公式三类问题中的截面设计问题。

将数据代人强度公式，可求得危险截面（即最底层截面）的厚度：

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

前文已经提到，进入新时代，我们的教学要向应用型教学转变，引导学生向工程实际靠拢。那么，此处关于n的取值，对于不同的专业，我们应引导学生去查阅相关专业领域的规范。玻璃纤维增强塑料作为一种复合材料，巳广泛应用于航空航天、船舶海洋、汽车、化工容器等领域。其国际通用规范为《ASME RTP-1 2011》，国内标准有《CECS190：2005》等。综合实际，此处取安全系数为6。

问题2：首先是工程实际问题的力学简化。根据分析，可将泵站井筒简化为如下力学模型：

需首先确定危险截面及其抗弯截面系数。进而通过弯曲强度公式计算其环向应力。

显然，最危险的截面为筒体根部与混凝土基础相连的部位。该处的弯矩最大，为：

截面惯性矩按下式计算：

弯曲正应力按下式计算：

式中：y=D/2，其余参数取值同上。

问题3：第三个问题是工程力学的强度理论部分。通常，结构或构件在外载荷作用下，并不是单一的简单变形（拉压、扭转、剪切、弯曲）。而往往是这几种基本变形的组合形式，因此我们不能仅靠基本变形的强度公式进行结构安全校核，需要借助强度理论的相关知识。本例恰好是一个典型的平面应力问题。其轴向应力与问题1的求法一致。环向应力需借助高等數学微积分的知识进行求解。具体如下：

沿井筒轴向取一微段AL进行分析，其力学模型如图4所示。取0-1米间一微段的二分之一作为分析模型，其轴向内力为：

F_N=ρ_YδΔL

在这部分圆筒内壁的微面积OLD/2d甲，压力为pΔLdΦ。其在Y方向的投影为pΔLdΦsinΦ。从0到π对上述投影积分：

∫pΔLdΦsinΦ=pΔLD

Y方向的平衡方程：

2ρδΔL+pΔLD=0

因此，环向应力为：

将设计载荷p，筒体直径D，及假定厚度δ代人上式，即可得该段筒壁上的环向应力。

四、本工程实例与工程力学知识结构的对应关系

工程力学知识框架与本例的对应关系如表2所示。事实上，工程实践中的很多间题都可以抽象为力学模型来分析，如桥梁、建筑及其构件、汽车及其零部件等。本例中的泵站井，看似是一个简单的结构，但其基本包括了工程力学（静力学和材料力学）的全部知识。由此可见，工程力学课程是一门逻辑严密的课程，也是一门应用性较强的技术课程，具有广泛的通用性和较强的理论性，对学生的逻辑思维能力、分析能力和解决问题能力的培养都至关重要。

五、结论

结合力学教学的实践和经验，笔者通过一个实例分析介绍了基于工程实践的力学教学模式。目前，应用型本科教学已进入一个全面展开的新阶段，各省分别出台了应用型本科课程建设的若干新政策，随着应用型本科新大纲的逐步实施，工程力学课时进一步压缩，工程力学课程改革面临着很多挑战，作为一线教师，我们需要不断优化传统课程内容，与时俱进，探索适用于培养创新型应用型本科人才的教学手段和方法。

参考文献：

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