流体机械方向《材料力学》课程改革的探索与实践

陈爱平 李芳环 赵小娟 梅志敏

0 引言

2012年，我校获批绿色风机制造湖北省协同创新中心。依托该中心，学校在机械设计制造及其自动化专业里设立流体机械这一特色方向，并为该方向制定人才培养方案。《材料力学》是该人培中的一门专业基础课，同时它也是大部分工科专业的重要必修课，历史悠远，到现在该课程已经形成了一定的教学套路。一般专业按照套路授课教学，自然没有什么问题。但是流体机械是一种比较特殊的机械，其形状和零部件有其特异性。如果课程全部采用传统的教学方式和教学内容，势必影响学生对流体机械相关知识的理解和应用。为了更好地服务该特色方向的后期专业课程，势必要对该课程的教学作出适当的改变。

1 课程的教学现状

1.1 理论部分教学现状

课程内容多。《材料力学》课程的理论教学内容涉及四种基本变形（拉伸与压缩、剪切与挤压、扭转、弯曲）的内力与应力计算，强度与刚度的校核，以及应力状态和强度理论，组合变形，压杆稳定等内容。牵涉到的概念抽象，公式繁多。

而且，现有的理论课程采用的实例与本专业后期课关联不是那么紧密。主讲教师备课所用实例大部分取自于教材和类似的参考书，而市面上的教材或参考书的素材基本上是都是针对大工科，基本上都是常用件，并且是常用件的力学模型，没有流体机械所特有的零部件实例，影响该门课程与后期相关专业课程的顺利衔接。

一般来说，该门课程的理论课程教学方式都是在教室里由老师口授知识点，学生做练习这样的老套路，学生学习兴趣不高。理论课程的教学就形成了一个怪圈：老师教得辛苦，学生学得更难受，但是到最后，教学效果总是不尽如人意。

1.2 实验部分教学现状

学校现有的力学实验室只有5 台多功能力学试验机，开设金属材料的拉伸、压缩、扭转、完全实验。实验的内容重复，拉伸实验和压缩实验的方法大同小异，体现不出实验的设计性。但日常生活中的流体机械如风扇等的零部件是非金属的，很明显在流体机械方向全部用金属试件不太合适，还得加上其他材料试件的实验。

2 课程改革探索

2.1 修改大纲，优选内容

首先，对于应力状态和强度理论的知识点，一般的机械专业多是作为重点和难点来授课，其理论性很强，牵涉到很多理论学假设和数学知识，为了讲清楚这些内容，往往会安排十多个学时的授课课时。但是即使这样，能基本听懂的学生只占少数，这些内容在考研笔试中占据很大的比重，但在实际应用中并不需要掌握得很深。我校流体机教方向的学生，他们属于应用型本科生，只需要理解强度理论的应用就可以了。所以此次修订大纲规定该方向的学生只需理解四大强度理论的当量应力值与主应力的关系，掌握四大强度理论的应用范围就够了，只需安排2个课时。

另外，对于扭转变形的切应力计算公式、扭转角计算公式、弯曲变形的正应力计算公式等，以往的大纲都是要求理解其推导过程。但是这些推导过程牵涉到静力学的空间力系合成，高等数学微积分，变形几何关系，胡克定律，即使老师花2- 4 个学时讲授，很多学生听起来也很吃劲。且这些推导对该后期专业课的作用几乎为零。为此，此次将这些理论性较强的推导全部删除，只要求学生会用这些应力、变形的公式即可。

然后，对于平面弯曲的挠度和转角的计算（叠加法和积分法），以前的大纲规定两种方法都要求掌握。叠加法是站在前人的肩膀上，查表叠加基本载荷所引起的变形即可，省时省力，计算准确度高。而积分法耗时耗力，是理论分析的重要手段，实际应用并不多。事实情况是后期的课程设计，还有专业课学习以及工厂的设计说明书都采用的是叠加法计算。此次大纲修订规定：增加叠加法的授课学时，对于积分法，鼓励学生自学，课堂不再安排授课学时。

2.2 联系工程，精选素材

流体机械的种类很多，常见的有各种风扇，除尘鼓风机，压缩机等等。为了更好地学习后期的专业课，可以在相关章节中增加不流体机械零部件的实例作为授课素材。比如，叶轮组的主轴，日常生活常见的落地扇都可以做素材。

弯扭组合章节是《材料力学》课程的重点章节，机械专业一般选取轴上零件为带轮、齿轮的阶梯轴校核作为实例。对于流体机械方向，在此实例的基础之上，要增加轴上零件为叶轮组的阶梯轴实例。标明阶梯轴各段的周向尺寸和轴向尺寸，叶轮质量，叶轮悬臂端轴质量，轴的质量，联轴器的重量，这些工程实际参数是如何转为校核计算所需的数值都是必须详细讲解的内容，这些往往也是学生毕业之后拿到实际的项目不知如何动手的原因之一。

对于压杆的稳定性，选取实例时，一般工科专业采用的是力学模型如图1 所示，针对模型上讲解柔度、惯性半径、当量长度、临界载荷、临界应力的相关知识。这些模型都是可以从书上查表查到的，学生后面碰到题目，照着教材的表，都能做出来。可是碰到实物，就不知道怎么判定。到底属于哪一类约束，到底可以套用书上哪一种情况了。可以增加流体机械的素材：落地扇的立杆，如图2 所示。给定各个部件的尺寸、重量、立杆的断面图（当然，学生也可以实测这些参数）。让学生先判断属于哪一种约束，然后计算具体产品的柔度、当量长度、惯性半径，验算其稳定性。这样选取实例素材，既可以让学生更快地将所学理论知识与实际设计相关联，也可以锻炼学生的建模能力。很多学生自我感觉力学学得好（考试考得好），但是到了实际设计计算时，不知道如何下手，是因为力学模型和实物中间是有落差的，要把模型和实物相关联，既可以开阔其专业视野，还能加快从毕业生到工程师的过渡时间。

另外，为了生活方便，一般家用落地扇的立杆都会设计为高度可调的升降杆形式。在此时，可以给定各部件的重量，立杆材料的力学性能参数（如果不是常见材料，可以通过实验自己测）。立杆的最低高度根据人的一般坐高给定。要求学生根据压杆的稳定性条件计算立杆的最大高度（也就是设计落地扇的高度范围）。这样学生相当于做了一个小设计，做完之后，学生的成就感会得到极大的提高，触发学习动机。

高度可调的落地扇立杆，其升降管部分的螺母是连接件，受到剪切和挤压变形（四大基本变形之二）。可以作为为剪切变形的实例素材，根据剪切和挤压强度计算螺母的最小直径，然后查阅第二学期机械制图中螺纹标准件的尺寸，确定螺母的类型。

图1 压杆力学模型

图2 落地扇实物

2.3 展示产品资料，激活课堂

《材料力学》的传统授课形式是：授课老师首先讲相关的概念、公式、方法，然后举例子加深学生对相关理论知识的理解，有时候还会举一些实例进行讲解，当然，这些实例大部分是一些老旧的力学模型。再就是挑选一些习题让学生练习，最后老师来讲解总结。这种教学方式一板一眼，中规中矩，学生兴趣一般，学习成效也有限。对于我校流体机械的学生而言，可以借助一些外力手段来丰富课堂内容，提升学习成效。比如说，可以借助企业平台的相关资源，向展示相关知识点的作用，激发学生的学习动力。因为是校企协同，可以从协同企业（鼓风机厂）借阅设计说明书和图纸（保密级别已经调低的资料），直接在课堂上展示实际的产品设计说明书是怎么写的，用到课程的哪些知识。

比如在讲解弯扭组合变形时，可以先将鼓风机成品的照片、设计的装配图、离心鼓风机主轴零件图、主轴的设计校核说明书、进行展示，然后对着其讲解弯扭组合的内力，危险面。学生在课堂上直面这些资料，受到的冲击很大。然后再针对刚才展示的主轴实例，讲解其弯扭组合变形，对比书上的理论方法和实际应用。

讲解弯曲变形的挠度计算时，也可以采用同样的方法。先向学生展示大型风机的主轴在工作时弯曲变形的计算说明书，以及如果相关参数指标超标，会出现的后果。学生看到这些，脑海里的反映就是，这个学了有用，以后上班要用的。自然，会认真领会这些知识点。

2.4 依托平台，创新实验

原有材料力学的实验课主要开设拉伸，压缩，扭转，弯曲实验。这些实验都是验证性实验，操作过程相似度极高。学生除了在做第一个拉伸实验表现出极高的兴致之外，做其他几个实验都提不起劲，并且，实验所用试件的材料全部都是低碳钢和灰铸铁等金属材料。对于流体机械来说，虽然有一部分部件是用金属做的，但是很大比例的零部件都是非金属材料。如中小型的一些风机的叶片，立杆等。这些零部件在工作过程中，容易变形，同样需要校核，也需要了解其材料的力学性能。因而，在实验课中要做如下改革：一是试件不能只是拘泥于金属材料，材料得多样化。二是要开发其他的实验项目。

2.4.1 自制试件，拓宽实体实验种类

市面上常见的教学用力学试件基本都是金属的，但是流体机械会牵涉到其他材料的零部件，所以该方向的学生必须了解部分非金属材料的力学性能。可以借助协同企业和校内工厂自制一些非金属材料的试件，提供给需要的学生做力学性能测试实验。

比如有些风机的立杆、叶片由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与玻璃纤维、玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过树脂注入等成型工艺复合而成。这些零部件都需要进行校核，自然必须明确材料的力学性能参数。

协同企业本身有这些特定合成材料做成的毛坯件（企业后期可以根据需要将毛坯件加工成所需要的叶轮等部件）。学校花费一定的资金购买这些合成材料的毛坯件。材料力学课程组老师画出做标准试件的图纸。校内金工实习工厂，根据图纸的尺寸，将从企业买回来的合成材料毛坯件，加工成尺寸达标的标准试件。流体机械的学生在做力学实验时，既要完成金属材料试件的测试，又要完这些合成材料试件的测试。这样学生对于后期专业课可能会出现的材料力学性能有着深刻的了解。同时，也教会学生如何测定新型材料的力学性能。

2.4.2 借助软件，开发部分虚拟实验

因为实验设备的原因（目前学校只有5 台多功能材料力学试验机），所以能够开设的力学实验项目有限。并且有限的项目还有一些是重复的。对于流体机械方向比较重要的两个实验：一是弯扭组合，二是压杆稳定，试验机是没法开设的。材料力学课程组借助仿真软件，开发虚拟实验来呈现这两个实验。在第三学期，流体机械方向学生已经在Solidworks 课程中将工业落地扇的立杆，大型鼓风机的主轴建好模型（当然这一切都是在人才培养方案和大纲中提前设定好的课程体系）。第四学期上力学实验课时，实验课老师应用Solidwork Simulation 模块，对主轴模型进行网格划分，虚拟加载转矩和径向力（这些外载荷使得主轴发生弯扭组合变形）。软件就可以自动模拟其变形过程。实验者还可以直观地读到显示各个部位的应力和变形图片。当然，学生还可以用理论课堂上学到的知识求解某一点的应力，将计算值和模拟仿真值进行比较。

对于压杆稳定实验，同样应用Solidwork Simulation 模块，对立杆模型进行网格划分，虚拟加载压力（压力可以由0 开始缓慢增加，直至立杆发生显著的失稳现象）。在这一过程中，学生一方面可以观察到失稳的形式，帮助理解失稳的概念，另一方面可以用理论课的方法计算出临界压力，将计算值与仿真值进行对比。

应用三维软件实现两个材料力学实验，以其直观的过程激发学生的学习兴趣，增强学习效果。而且，通过这个虚拟实验，学生可以入门Solidworks Simulation 模块的使用，他们相当于又多了一项技能。

3 结语

我校流体机械方向从2012年开始招生，目前已经有了4届毕业生。2012、2013 级学生的材料力学课程采用的是传统的教学方式和教学内容。2014、2015 级学生的材料力学课程开始采用上述方式和内容进行授课。

从风机课程设计、毕业设计、这两个个方面对比这四届学生的学习效果。

课程设计和毕业设计的指导老师反映：后两届学生在做设计时，对于牵涉到的校核问题，明显优于前两届。设计过程中，后两届学生在校核方面的基本不需要指导老师详细讲解，有的也只需要稍加点拨即可。但前两届学生在设计校核方面出现卡顿的概率要大得多。

从对比结果看，材料力学课程的教学内容、教学方式的改革确实有助于教学效果的提升和学生能力的培养。