機(jī)械專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的地位及其內(nèi)容設(shè)置探討

□ 郭空明 徐亞蘭 段清娟

一、結(jié)構(gòu)力學(xué)課程現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門研究結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及動(dòng)力學(xué)特性的古老學(xué)科，是土木建筑類和機(jī)械類專業(yè)的重要課程。廣義上其研究對(duì)象覆蓋桿、梁、板、殼、體等結(jié)構(gòu)，在土木、航天、航空、船舶、機(jī)械等領(lǐng)域都有著重要作用。

由于課程學(xué)時(shí)有限，通常這門課的研究對(duì)象只包括桿、梁組成的桁架和剛架結(jié)構(gòu)。教材的內(nèi)容設(shè)置偏向土木建筑類專業(yè)。因此，目前結(jié)構(gòu)力學(xué)課程在國(guó)內(nèi)大多數(shù)高校機(jī)械類專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃中，只是列為選修課。“結(jié)構(gòu)力學(xué)=土木”的觀念根深蒂固，甚至一些高校的力學(xué)專業(yè)必修課中也不包括結(jié)構(gòu)力學(xué)。

航天、航空、船舶等專業(yè)，往往針對(duì)學(xué)科特點(diǎn)自設(shè)相關(guān)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程，如飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)、船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)等等，這些課程自然作為必修課程。而對(duì)于機(jī)械專業(yè)而言，由于其研究對(duì)象主要為機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)力學(xué)一般僅作為選修課程，只講授一些桁架、剛架結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)特性，這更加深了廣大師生對(duì)這門課的偏見。

本文指出，結(jié)構(gòu)力學(xué)作為力學(xué)課程的一塊重要拼圖，是不可或缺的。隨著現(xiàn)代機(jī)械的發(fā)展，機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度問題也需要訴諸結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)進(jìn)行解決。而針對(duì)課程內(nèi)容設(shè)置方面，一方面應(yīng)強(qiáng)化能量原理這種基礎(chǔ)知識(shí)，另一方面要突出電算技術(shù)的運(yùn)用，適當(dāng)刪減一些涉及手算方法的內(nèi)容。

二、結(jié)構(gòu)力學(xué)課程在機(jī)械類專業(yè)中的地位

(一)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程是力學(xué)課程的重要組成部分。力學(xué)課程的特點(diǎn)是各門課之間相關(guān)性很強(qiáng)，形成一個(gè)密不可分的有機(jī)體。除了流體力學(xué)等個(gè)別課程獨(dú)立性較強(qiáng)外，其它課程無論去掉其中任何一門課，都會(huì)給剩余課程的授課帶來不便。具體到結(jié)構(gòu)力學(xué)這門課程，則與以下機(jī)械類專業(yè)中開設(shè)的力學(xué)課程發(fā)生關(guān)聯(lián):一是理論力學(xué):理論力學(xué)的靜力學(xué)部分是結(jié)構(gòu)力學(xué)的基礎(chǔ)。同時(shí)結(jié)構(gòu)力學(xué)中的虛功原理是虛位移原理的延伸。二是材料力學(xué):材料力學(xué)研究桿件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，而結(jié)構(gòu)力學(xué)內(nèi)容包括桁架、剛架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，因此結(jié)構(gòu)力學(xué)可視為材料力學(xué)的后續(xù)課程。三是振動(dòng)力學(xué):結(jié)構(gòu)力學(xué)中的動(dòng)力學(xué)部分是振動(dòng)力學(xué)課程的進(jìn)一步延伸。四是分析力學(xué):分析力學(xué)中的第二類拉格朗日方程和哈密頓原理，是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模的主要方法。五是有限元:有限元方法的思想就是將連續(xù)體離散，然后用結(jié)構(gòu)力學(xué)的矩陣方法進(jìn)行求解。結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中一般也包括桁架和剛架的有限元分析。

從上述的分析來看，結(jié)構(gòu)力學(xué)主要起到“承上”的作用，它是一些課程如材料力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)的后續(xù)課程，同時(shí)它還將大量力學(xué)課程的知識(shí)串聯(lián)在一起，綜合運(yùn)用。因此結(jié)構(gòu)力學(xué)課程不但是學(xué)生先修課程的重要鞏固，還培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用各門力學(xué)課程的能力，其重要性無需多言。

(二)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程在機(jī)械學(xué)科中的作用。機(jī)械學(xué)科以機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象。機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)一樣，存在強(qiáng)度、剛度等問題。由于傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)中只考慮單個(gè)零件如螺釘、蝸桿、軸等的強(qiáng)度、剛度問題，因此使用材料力學(xué)知識(shí)就已足夠。

隨著現(xiàn)代機(jī)構(gòu)向大型化、高速化、輕柔化、精密化發(fā)展，傳統(tǒng)基于零部件的分析方法已不能滿足實(shí)際需要。目前對(duì)于機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度分析，通常的做法是分析機(jī)構(gòu)處于某個(gè)瞬時(shí)位姿的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)，將此刻機(jī)構(gòu)的對(duì)應(yīng)位姿狀態(tài)當(dāng)成一個(gè)固定的結(jié)構(gòu)，增加慣性力后應(yīng)用結(jié)構(gòu)的分析方法來進(jìn)行分析。另外一些機(jī)構(gòu)在某些工作狀態(tài)會(huì)鎖定成為結(jié)構(gòu)，比如飛機(jī)起落架，當(dāng)其放下，處于死鎖位置時(shí)，如要分析此時(shí)是否滿足強(qiáng)度及剛度要求，則需要將其當(dāng)作一個(gè)結(jié)構(gòu)件來進(jìn)行分析。最后還有目前廣泛使用的可展開機(jī)構(gòu)，或是柔索機(jī)構(gòu)，當(dāng)其處于展開狀態(tài)，或是索受力張緊時(shí)，就形成一定的固定形態(tài)的結(jié)構(gòu)，此時(shí)也需要應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法來分析。

三、機(jī)械類專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程內(nèi)容設(shè)置探討

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程授課內(nèi)容一般從以下內(nèi)容中進(jìn)行選擇:(1)幾何構(gòu)造分析;(2)能量原理;(3)靜定桁架內(nèi)力;(4)靜定剛架內(nèi)力;(5)能量原理求解位移;(6)影響線;(7)超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析;(8)結(jié)構(gòu)矩陣分析(有限元);(9)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué);(10)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。

針對(duì)機(jī)械類專業(yè)現(xiàn)狀以及結(jié)構(gòu)力學(xué)發(fā)展趨勢(shì)，這10部分內(nèi)容可以作如下取舍，以滿足少學(xué)時(shí)(如32學(xué)時(shí))的要求:(1)幾何構(gòu)造分析:這部分內(nèi)容與《機(jī)械原理》中的自由度分析原理相似，因此可以做簡(jiǎn)要介紹，不要講解大量復(fù)雜的例題。(2)能量原理:彈性體的能量原理是力學(xué)原理的精華部分，這部分內(nèi)容不但將作為本課程后續(xù)內(nèi)容的基礎(chǔ)，其內(nèi)容還可以用在振動(dòng)力學(xué)、分析力學(xué)、有限元等課程中，因此將作為重點(diǎn)講解。(3)桁架內(nèi)力:這部分內(nèi)容為手算內(nèi)容，且一般都已在理論力學(xué)中進(jìn)行了講解，所以可以不講。(4)剛架內(nèi)力:這部分內(nèi)容是材料力學(xué)的延伸，需要做簡(jiǎn)單講解，但不要涉及太復(fù)雜的例題。(5)能量原理求解位移:這部分內(nèi)容是能量原理的具體應(yīng)用，其廣義力、廣義位移的概念可與分析力學(xué)相關(guān)概念進(jìn)行類比，因此需要進(jìn)行一定學(xué)時(shí)的講解。(6)影響線:該部分內(nèi)容土木建筑的背景較濃，因此可不講。(7)超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析:由于有限元方法(位移法)是目前的主流方法，因此可以只對(duì)力法求解超靜定結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。(8)結(jié)構(gòu)矩陣分析:這部分內(nèi)容是這門課的重點(diǎn)，包括桁架結(jié)構(gòu)有限元方法和剛架結(jié)構(gòu)有限元方法。對(duì)于剛架結(jié)構(gòu)有限元方法，由于有了桁架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，學(xué)時(shí)數(shù)可略微減少。如果學(xué)生在其它課程中接觸過Ansys等工程軟件，也可以對(duì)運(yùn)用Ansys求解結(jié)構(gòu)力學(xué)問題的方法進(jìn)行介紹。(9)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué):這部分內(nèi)容雖然對(duì)工程應(yīng)用有重要意義，但其中的絕大部分內(nèi)容學(xué)生在振動(dòng)力學(xué)課程中都已學(xué)過，因此這部分內(nèi)容只需講授單元質(zhì)量陣的生成，對(duì)其它內(nèi)容做簡(jiǎn)單回顧和適當(dāng)補(bǔ)充即可。(10)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析:對(duì)于傳統(tǒng)的幾何剛度矩陣方法的適用性，學(xué)術(shù)界存在爭(zhēng)議，因此這部分內(nèi)容可不講授。

總之，課程內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)淡化土木背景手算技巧，突出基本原理和電算方法。因此，以32學(xué)時(shí)為例，教學(xué)計(jì)劃可做如下設(shè)置:(1)緒論:2學(xué)時(shí)。(2)幾何構(gòu)造分析:2學(xué)時(shí)。(3)能量原理:5學(xué)時(shí)。(4)剛架內(nèi)力:2學(xué)時(shí)。(5)能量原理求解位移:4學(xué)時(shí)。(6)力法求解超靜定問題:2學(xué)時(shí)。(7)桁架結(jié)構(gòu)矩陣分析:8學(xué)時(shí)。(8)剛架結(jié)構(gòu)矩陣分析:5學(xué)時(shí)。(9)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué):2學(xué)時(shí)。

四、結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)力學(xué)作為力學(xué)課程的重要組成部分，也是機(jī)械強(qiáng)度、剛度分析的基礎(chǔ)，在機(jī)械類課程中應(yīng)當(dāng)?shù)玫较鄳?yīng)的重視。另外針對(duì)學(xué)科發(fā)展和機(jī)械專業(yè)特點(diǎn)，對(duì)如何設(shè)置結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的內(nèi)容進(jìn)行了探討，以期這門課程在新時(shí)期機(jī)械專業(yè)的教學(xué)中充分發(fā)揮作用，同時(shí)煥發(fā)新的活力。

［1］龍馭球，包世華，匡文起等.結(jié)構(gòu)力學(xué) I——基本教程［M］.北京:高等教育出版社，2001

［2］孫煥純，許強(qiáng)，李湘沅.框架結(jié)構(gòu)的線性歐拉穩(wěn)定理論［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2008