“船舶强度与结构课程设计”课程的教学研究

宋 博

（广州航海学院船舶与海洋工程学院，广东广州510725）

1 课堂概况

“船舶强度与结构课程设计”是一门培养学生掌握船舶强度校核和结构设计方法的集中实践课程，是集专业性、理论性和实用性于一体的专业必修课。随着船舶科学技术的发展，船舶结构设计理论、方法都有所改变，尤其是加入了有限元软件的应用，让学生更直观了解船体强度校核的重点位置和优化结构的设计方法。通过2周40学时集中实训掌握船舶强度分析和结构设计基本知识，了解最新船舶结构规范，将理论与实践应用结合，通俗易懂，并且可以使学生在短暂的集中实训环节中，把握现代船舶企业中船体强度和结构设计的新方法和新技术。

经过近两年的教学实践观察，总结出：通过重新组织和改革“船舶强度与结构课程设计”课程，使学生更容易了解本课程对未来职业生涯的实际作用，进而发挥主观能动性地将以往的理论课程学习与实践能力素质培养结合起来，将任务转化为有意识的自主学习，教学效果明显。

2 课程大纲的修订

一门合格的课程需要适用的教学指导文件——教学大纲。以往的教学大纲基于传统教学过程和经验，理论性强，素材多为杂货船，内容落后，不与时俱进，适用性差。因此，为了提高教学效果，通过调研，整理杨代盛主编的国内经典教材《船体强度与结构设计》，重新修订了知识体系更为完整、更贴近生产实际的新教学大纲。同时为了达到更有效的教学质量，取消了“船体纵向扭转强度”部分，添加了“有限元法在船体结构设计中的应用”任务。

3 讲义的编写与完善

通过详细的调研和长期的教学总结，在认真分析了华南理工大学、武汉理工大学、哈尔滨工程大学船舶与海洋工程工程专业使用教材的基础上，结合广州航海学院学生条件和学校定位以及培养目标，重新编写了“船舶强度与结构课程设计”讲义，如表1所示。新讲义内容上兼顾了传统经典的教学任务，也融入了行业最新的设计知识。

表1 教学任务

新的讲义包括了4章具体内容。第一章介绍了利用静水力曲线和邦戎曲线，计算给定工况下船舶静置在波浪上的静水剪力与弯矩计算，波浪附加剪力与弯矩计算，并利用剪力和弯矩近似估算规范，进行强度校核，计算实例分析［1］。第二章总纵强度的直接计算法，包括船体剖面要素计算、船体总纵弯曲正应力计算、船体屈曲强度，以及船体极限弯矩的计算，总纵强度计算实例分析。第三章船体结构规范法设计，包括规范设计基本思路、船体构件的基本材料、规范对船体纵向强度的要求、设计实例。第四章有限元法在船体结构设计中的应用，包括船体结构有限元模型、载荷计算、边界条件、强度准则、强度分析、屈曲分析、实船分析［2］。

区别于理论课教材，本讲义的特色之处在于：（1）实用性。讲义的实用性主要体现在基于船体强度和结构设计，本讲义必须包括船舶强度计算的基础，包括船舶在静水中以及静波浪中的外力计算、内力计算，基于材料力学弯曲梁的总纵弯曲应力计算，以及基于钢制海船入级规范的船体典型剖面结构设计。这些内容是完成船体结构设计并进行强度校核的主要内容，学好这些基础，有助于学生掌握好船体强度和设计的基本概念和方法。在集中两周的课程设计过程中，以船厂提供的已建成的船作为母型船，让学生亲手完成船体典型剖面的结构设计并进行强度校核，设计对象不同于以往一些课程中的设计实例，落后、不合时宜，不反映现代科学技术，相反，作为即将走入社会、面对工程实际问题的大四学生，应培养好应用型的技术。（2）先进性。船厂设计技术在更新，设计方法在优化，要求在教授专业知识时要与时俱进，不仅要秉承经典的设计方法和理论，还要考虑到行业发展的背景，因此本讲义加入了船舶结构有限元分析部分，讲授利用有限元分析软件，进行整船分析、舱段分析和局部有限元分析。并结合CSR（国际船级社于2006年4月发布的散货船共同规范），结合1条2万吨级船厂大于150 m的散货船，介绍船舶结构屈服和屈曲强度的分析。有限元分析软件NASTRAN是船舶行业中的主流软件，针对工程实际应用，有近70种单元的单元库，反映了近些年船舶结构设计发展起来的新内容和新方法。

4 “船舶强度与结构课程设计”的优化

课程设计是本科教学中实践教学环节的重要组成部分，对于实践能力的培养具有重要的作用。传统的船舶强度与结构课程设计根据理论课知识重点，通常要求学生完成两个方面内容，即利用船舶设计规范，根据母型船主尺度和结构草图和设计要求，完成设计船的基本结构构件设计，确定构件尺寸选用合适型材，并绘制典型剖面的中横剖面结构图。多年教学经验发现，传统课程设计内容存在不足，通常一个教学班完成的是同一个设计任务，缺少团队合作，设计成果和选材亦有抄袭情况，不利于学生真正掌握设计和计算方法，而且只能涉及一种船型。为了提高教学质量和学习效率，亦可以训练学生结构规范设计和横剖面图的绘制，在总学时不变的前提下，增加了有限元软件NASTRAN分析工程实际问题中船体局部结构强度的内容，这种基于问题的新的教学方式，培养的学生更加具有解决实际问题的能力［3］。

具体改革措施：（1）在新编讲义的指导下，根据设计任务书，一个教学班级每4～5个人分成一个任务小组。设计任务都是基于工程实际，可以是不同的船型，或是同一船型的不同结构形式、不同主尺度、不同吨位，也可以是不同的局部结构（船底板架、舷侧板架或是甲板板架）。（2）任务小组中设立组长，对整个设计任务负责，各成员之间合理分工，通力合作完成课程设计的总任务并形成设计报告和汇报PPT。每个任务小组人数有限，要完成设计任务必须全员参加，合理分配任务，客观上解决了以往设计任务敷衍了事、抄袭的现象。在完成任务的过程中，督促学生必须主动查阅资料，确定合理的设计方法，并且训练了学生书写计算书、编辑报告和办公软件的能力，为毕业设计和毕业实习打下基础。（3）为了让每一个学生都参与到具体的设计工作，将以往的全船结构设计，分解为部分舱段或结构的设计，这样结构设计更加细致，便于更好地熟悉规范的结构设计内容和训练学生对于典型横剖面图的绘制能力。（4）增加了应用有限元软件NASTRAN分析，并完成校核船体局部结构强度的内容，更加直观地了解应力和变形的分布规律，如图1所示。

图1 典型结构有限元模型

5 结语

在修订的新的课程设计大纲指导下进行设计实践后，将训练学生全面使用船舶结构强度、结构力学、船体结构和计算机绘图等专业课程的理论知识来分析和解决实际问题。通过理论计算、有限元结构分析、结构设计、结构绘图、查阅文献和计算机应用程序等，培养学生正确的设计思想和勤奋创新的创新精神，提高他们的专业素质和解决问题的能力。

从2017年开始，新的教学计划已在船舶和海洋工程专业的船体强度和结构设计教学实践中使用。从近年来的实践成果来看，经过课程大纲的修订和完善，课程内容更加接近工程实际。随着工程实践的发展，学生的学习效果得到了很大的提高，综合能力和素质得到了提高。锻炼后，学生反馈良好，课程改革取得了良好效果。