金属结构课程中稳定性问题教学研究

张楠

摘  要 结合多年的工程机械类课程金属结构的桁架结构稳定性教学经验，提出将软件应用、实际工程和课程理论教学相结合的教学方法，主要讲述把ANSYS计算机工程软件应用于起重臂桁架结构教学中，提高学生的工程实践能力、工程设计理论计算能力和工程创新能力。

关键词 金属结构;桁架结构;工程软件;ANSYS

Abstract In the teaching experience of the truss structure stability of the Metal Structure of the engineering machinery course for many years， a teaching method combining software application， practical engineering and course theory teaching was proposed. This paper mainly describes the application of ANSYS computer engineering software to the teaching of the jib truss structure. The teaching me-thod will greatly improve students engineering practice ability， engi-neering design theory calculation ability and engineering innovation ability.

Key words metal structure; truss structures; engineering software; ANSYS

1 课程介绍

金属结构是工程机械装备的主要内容，它直接影响工程机械设备的工作性能指标，也是机械装备理论设计的关键性课程之一。桁架结构的稳定性问题是金属结构课程的主要内容。桁架结构中的桁架指的是格构式构件的一种梁式结构。桁架构件在建筑工程中应用广泛，同时应用在工程机械装备领域，如塔式起重机臂架就是桁架结构。桁架主要是由杆件通过对接焊缝和角焊缝连接起来，或以铆接或螺栓连接而成的支撑横梁的空间桁架结构。另外，桁架也有一些由支链杆组成，大多数是连接成三角形的平面结构或空间体系结构。桁架结构主要承受力为杆件承受的轴力（受到压力和拉力）。其优点是能充分利用构件的强度、节省材料，减轻自重和增大刚度。如在跨度较大时，桁架比其他的梁（如实腹梁）用的材料更少，刚度更强[1]。

稳定性是桁架结构的重点，也是教学中的难点[2-3]。桁架的整体稳定性和局部稳定性是很复杂的问题，与横梁的强度校核相比，桁架稳定性问题更加抽象且整体稳定性校核的公式更加复杂，使学生难以掌握和理解。因此，桁架的整体稳定性和局部稳定性问题是教学重点与难点[4-6]。

在现代教学课程中，桁架结构的稳定性教学大多数以课堂讲解理论知识为主，以例题讲解和课程设计为辅。经过实践证明，对于桁架构件的整体稳定性和局部稳定性，单靠课堂理论讲解很难让学生理解并掌握它。因此，笔者提出采取工程ANSYS软件仿真与理论教学相结合、实际工程和课程理论教学相结合、传统理论方法和计算机软件模拟相结合的教学方法。这类教学模式需要教师有“桁架结构稳定性”和“工程机械金属结构综合课程设计”的教学经验，同时需要具有一定的金属结构课程教学经验，并且具备运用工程软件分析桁架设备的工程项目实践经验。通过调查发现，把工程软件应用在桁架稳定性教学中，对促进学生工程实践能力、工程设计理论计算能力的提高具有积极作用。

2 ANSYS软件在教学中的应用

桁架结构的整体稳定性和局部稳定性的公式比较复杂，理论更加抽象，在课堂上用传统的理论教学方法让学生全面理解稳定性问题相对来说比较困难。因此，把ANSYS工程软件应用在教学中，使学生更好地理解桁架结构的整体稳定性和局部稳定性。工程软件ANSYS是工程机械设计专业所需要掌握的软件，学生可以通过使用ANSYS工程软件分析桁架来理解桁架稳定性。为适应新形势下工程机械专业教育的发展，需要系统和完整地将工程软件ANSYS分析和金属结构中的桁架结构课程内容真正结合起来。这就需要利用工程软件ANSYS系统地计算分析桁架构件的内力和穩定性问题，才能将软件应用和理论教学真正结合起来，设计最合适的教学方法。

具体设想为：以工程机械专业学生为研究对象，在课堂理论教学中系统地应用工程软件ANSYS展示桁架的分析结果，将软件应用和理论教学相结合的教学方式与其他教学方法有机融合，再结合学生学习过程中出现的问题和教学效果的反馈，对教学方法进行逐步完善，形成一套完善的教学方法。教学过程中的具体思路如下：

1）应用工程软件分析出桁架的性能图片，再通过桁架结构整体稳定性和局部稳定性知识讲解，加深学生对理论知识的理解，以达到预期的效果;

2）将工程软件ANSYS的基本操作步骤添加在桁架的学习过程中，应用ANSYS分析桁架结构的构件内力和稳定性例题，并与理论计算内力相对比，激发学生的学习兴趣，让学生带着兴趣学习，可以取得非常良好的效果;

3）课上演示软件操作步骤，课后让学生自己动手进行软件操作，提高学生兴趣的同时，加深掌握金属结构的基本知识，更锻炼学生的工程软件应用能力，提升学生对桁架结构的稳定性理论的兴趣。

3 工程实际和课程理论教学相结合

桁架结构的整体稳定性和局部稳定性设计是机械结构设计中的重要组成。为加深学生对桁架整体稳定性和局部稳定性理论知识的理解，必须使学生了解桁架结构整体稳定性和局部稳定性的重要作用，由此需要把工程实际和课程理论教学相结合，在再结合平时积累的教学素材，整理出桁架结构稳定性问题的教学内容例证。

1）利用工程软件解决实际应力应变问题，呈现出机械结构的动力学特性。不考虑结构可能发生的局部缺陷，也不考虑结构整体或部分失稳导致整个桁架梁应力重新分布，绘制桁架梁的应力图。利用图片展示和讲解说明，利用工程软件绘制箱型梁受弯构件的内力图。

2）下面计算纯弯曲载荷下桁架梁的失稳弯曲的情况，通过图片可以发现桁架梁的腹板与翼缘板都发生失稳。但是由于翼缘板宽度比腹板小很多（本例中腹板和翼缘板厚度相同，翼缘板的宽厚比远小于腹板的宽厚比），因此，翼缘板的临界失稳载荷比腹板大。

以塔式起重机臂架工程实际为例，采用工程软件ANSYS对工程实际中起重臂桁架的内力、整体稳定性进行分析，并把其分析内容应用到课程教学中。具体例子如利用工程软件解决桁架结构的实际应力应变问题，呈现出机械结构的动力学稳定性。

首先在工程软件ANSYS中建立臂架桁架结构的模型如图1所示;在不考虑结构可能发生的局部缺陷时，工程软件绘制的臂架桁架的变形稳定性分布如图2所示。

4 传统理论教学和计算机软件分析相结合

传统的桁架结构稳定性教学方案大多偏重理论，使学生难以理解且兴趣不高。在传统教学方式中，理论知识在实际工程中的应用一直是本科教学中的重点要求，使学生更好地掌握知识，让学生能够理解桁架结构的整体稳定性和局部稳定性的知识。但这在一定程度上阻碍了教学改革发展，同时导致许多学生对理论知识的实际应用能力较为薄弱。

黑板板书是课堂教学的传统方式，但随着计算机多媒体的发展，多媒体教学和黑板板书相结合的教学方式也越来越受到广大师生的欢迎。在现代教学方式中，把多媒体和板书相结合的教学方式对传统理论教学和计算机软件分析相结合的教学方法有着重要启示。因此，在桁架结构稳定性教学探索中，在教学过程中应该将传统理论教学和计算机ANSYS软件分析结合在一起，进行桁架稳定性理论推导。

如将塔式起重机臂架这类桁架结构的杆件稳定性过程用ANSYS工程计算机软件应用制作成三维动画，在桁架结构稳定性和弯扭问题通过高清摄像机和计算机操作进行实时展示，并利用工程软件分析和操作桁架结构失稳时的变形和应力状态。工程软件ANSYS操作步骤如下：

1）定义单元类型，选择单元类型，臂架优化设计时选用BEAM188，因为其适用于分析厚梁结构/细长到中等粗短;

2）定义单元的类型并输入实际的参数，即臂架梁单元的截面参数，在下面的图片示意中选择相应选项定义材料的属性，如密度、弹性模量、泊松比等，并输入相对应的值;

3）塔机臂架的模型结构相对来说是比较简单的，只需要在ANSYS的三维坐标系中按照顺序依次输入各个节点所在的坐标位置，然后将每个点的坐标根据建模需要连接成直线即可（在建模前要对塔式起重机臂架的形状有一个很深入的了解，这样才能快速又准确地列出每个节点的坐标）;

4）用直线把所有关键点连接起来，并对线进行单元的划分;

5）得到的解越精确，就越需要对臂架进行更多的单元划分，定义每条直线需要划分的网格数是第一步，并进行单元划分，形成网格;

6）施加载荷与约束，在臂架与塔身连接处定义好约束，臂架在竖直平面内还要受到自身重力影响，臂架自重通过密度及重力加速度来实现，水平平面内受风载荷以及回转惯性力，风载荷通过均布载荷的添加来实现。

在传统理论教学中，授课教学过程中往往是教师占据主导位置，学生都是被动学习，相对来说课堂相对枯燥乏味，对调动学生的学习热情和积极性非常不利。在进行桁架稳定性教学时不能被动式教育，而教学中的主要任务是让学生在理论教学基础上进行工程软件实际操作等，让学生能够去理解和掌握桁架的整体稳定性和局部稳定性问题，应逐步培养学生能够解决实际工程问题的能力。将传统理论教学和计算机软件分析相结合，要让学生能够完全掌握和理解桁架结构的稳定性在工程机械中的实际应用，使得学生能够将课堂所学运用到实际中。

5 结语

本文着重于工程机械类课程金属结构中的桁架结构稳定性问题，结合多年的教学经验，探索出切实可行的软件应用与理论教学相结合的教学方案。该教学方案将实际工程问题和课程理论、ANSYS工程软件分析相结合，并在教学过程中进行逐步完善。该方案将对学生工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力的提高具有積极作用。

参考文献

[1]卢耀祖，郑惠强，张氢.机械结构设计[M].上海：同济大学出版社，2009：1-274.

[2]黄宝玉，项国雄.国家精品课程建设现状分析及思考[J].中国高教研究，2007（9）：72-76.

[3]李旻，黄平.机械优化设计课程案例教学的研究与实践[J].机械工程师，2010（8）：18-20.

[4]徐格宁.机械装备金属结构设计[M].北京：机械工业出版社，2010.

[5]薛艳霞.《钢结构》课程教学的认识与实践[J].福建建筑，2014（12）：118-120.

[6]贠英伟，范丰丽，张广峻.大学钢结构课程教学改革探索[J].理工高教研究，2006（5）：115-116.