基于應用實例的《船舶結構力學》課程教學研究

趙炳雄，張娟，嚴謹

（廣東海洋大學，廣東湛江 524088）

船舶結構力學是結構力學在船舶與海洋工程結構物應用上衍化而來的學科，一直是船舶與海洋工程專業教學體系中的核心基礎課程，以材料力學、理論力學、船舶結構為基礎，為船體強度與結構設計、海洋平臺強度、船舶振動等課程提供支撐，把基礎課和專業課有效地串聯起來。船舶結構力學知識也是船舶結構工程師開展結構設計和安全評估的必要基礎，是學生走上工作崗位后開展工程項目時的理論和技能基礎。通過多年的考核情況及學生反映，《船舶結構力學》課程理論抽象、系統復雜、應用困難。部分學生即使在學習中聽懂基礎理論和學會教材的例題，但遇到實際的工程問題依然束手無策。在新工科背景下，加強學生解決實際專業問題技能的培養非常必要。工科高校教師在培養學生時不能只是局限于書本知識理論的傳授，更要注重培養學生的工程實踐能力，以滿足社會發展對人才實踐和創新能力的需求[1]。工程實踐能力是培養創新型工程技術人才的基礎，也是面向新形勢高校教學工作的重要內容，不僅應體現在各專業的培養方案中，也應在課程教學中有效貫徹[2]。本文通過對《船舶結構力學》課程的教學理念、教學內容和教學方法進行探討，在教學中更多地引入和剖析工程應用實例，以提高學生應用理論知識解決工程問題的技能。我校船舶與海洋工程專業通過多年的探索，在培養“三能”（能安心、能吃苦、能創業）應用型人才方面已經取得了良好效果[3]。

1 教學理念探討

在2010年“卓越工程師”、2016年“工程教育認證”和2017年“新工科建設”一系列政策的推動下[4]，船舶與海洋工程專業也開始進行培養方案和課程體系的改革創新，以適應行業發展對船舶與海洋工程師的要求。船舶結構力學作為結構力學的分支，知識理論深厚且內容繁多，在高校教學過程中往往注重知識的傳授，忽略了專業技能的提升。相對于傳統知識點的單一傳授，《船舶結構力學》課程新的教學理念應該要加強結構模型和應用范圍的延伸。讓學生體會到所學知識的目的是什么以及能解決哪些實際問題，能提高學生的學習積極性、學習效率和專業技能。如圖1所示，教學理念應該加強船舶結構力學模型與實際應用結構之間的關聯，通過應用實例強化學生對船舶結構知識點和力學模型的理解。應用實例就是用來剖析力學模型和實際結構之間關系的橋梁，有助于解決學生只會做題而不會解決工程問題的難題。

圖1 加強應用實例聯系的教學理念

2 教學內容探討

《船舶結構力學》的內容可以總結為采用一定的方法計算船舶與海洋結構物在特定的邊界和載荷條件下產生的響應。如圖2所示，知識點包括實際結構到力學模型的簡化，并采用一定的計算方法對力學模型進行求解，其中實際結構需要考慮其結構屬性和載荷條件，力學模型包括力學原理、結構形式和邊界條件，計算方法包括力法、位移法、能量法和有限元法。傳統的教學方法重點在于把每個知識點單獨傳授給學生，缺少各個知識點之間的串聯。教師授課時不但要講授力學分析的基本計算方法，更要引導學生認識和掌握船舶與海洋結構物的力學特性，從而分析實際結構在受到載荷作用下如何簡化力學模型。教學內容可以結合實際案例和科研項目增強有限元在教學中的應用演示，起到拓展知識和加深學生對理論知識理解的作用[4]。

圖2 《船舶結構力學》知識點

引用工程應用實例授課一方面可以加強學生對知識點的理解，另一方面可以有效地把各個知識點融會貫通。以經典的單跨梁知識點為例，授課時應適當分析船舶實際結構，從結構屬性、邊界條件和載荷條件等方面等效到單跨梁的力學模型，可根據授課進度采用多種計算方法，并與時俱進地多引用有限元計算方法。如圖3所示為船舶甲板結構縱骨力學模型的簡化過程。考慮縱骨的尺寸小于艙壁和強橫梁，可把艙壁與橫梁或橫梁與橫梁之間的甲板縱骨簡化成單跨梁模型。模型的跨長即為艙壁與橫梁的間距或橫梁之間的間距a。甲板上的均布載荷可轉化成甲板縱骨平均支撐面積a×b 的線性分布力。因為艙壁和強橫梁的剛度遠大于甲板縱骨，邊界條件可設置為固支和簡支約束。通過對簡化過程的剖析，有利于加強學生對單跨梁力學模型應用的理解，同時對載荷分布和邊界條件有了更具體的工程認識。

圖3 甲板縱骨力學模型簡化過程

在圖3的簡化工程中還應該進一步分析實際結構與單跨梁的結構屬性。甲板板格承受甲板載荷p 發生彎曲相當于單跨梁AB 承受均布載荷q 發生彎曲。AB梁的截面屬性等效于縱骨T120x8/60x10 與寬度b 的甲板帶板組成的截面（見圖4）。通過力學模型截面屬性的簡化，非常直觀地把實際結構與力學模型的結構屬性結合起來，進一步加深學生對梁系結構截面屬性的概念理解。

圖4 甲板縱骨力學模型截面屬性

在闡述實際結構與力學模型之間的關系之后，采用解釋法、有限元法和經驗法等多種方法求解該力學模型，并比較各種方法的優劣和應用場景。除了傳統的彎曲要素法、力法、位移法和能量法之外，應適當增加與時俱進的有限元仿真和與工程應用結合的經驗法。相當于在掌握傳統理論知識的基礎上，利用前沿的分析工具解決實際的工程問題。

在求解過程中，除了給出撓度、轉角、剪力和彎矩彎曲四要素結果外，應適當延伸解釋四要素的含義。結合實際工程應用，說明撓度、轉角、剪力和彎矩對于結構安全設計和校核的意義。結合材料力學，進一步分析該截面屬性在最大彎矩和剪力下的應力分布和最大應力值（見圖5）。實際工程應用往往更關心導致材料首先失效的最大應力水平。因此，學生也進一步了解到求解梁系力學模型的工程意義。

圖5 應用實例計算結果分析

通過一個好的應用實例的內容設計，船舶結構力學的各個知識點能有機地串聯起來。使得每個內容都能具體化，便于學生理解掌握。把理論知識與工程實際問題相結合，大大提高了學生對知識點的學習興趣和運用能力。

3 教學方法探討

《船舶結構力學》是一門傳統的力學課程，為了使教學內容更加形象化，應該與時俱進地運用更多前沿的教學工具。結合應用實例，介紹實際工程經常使用的規范計算方法和有限元分析方法，培養學生工程實踐技能。

對于海船設計，船舶結構設計參考的國內規范是中國船級社規范《鋼質海船入級規范》[5]的第二篇結構部分。甲板等骨架設計的經驗公式來自梁系的力學模型和大量的統計數據。如甲板縱骨的規范要求是剖面模數W 不小于以下計算值。

甲板縱骨的兩端簡支單跨梁力學模型最大彎矩由彎曲要素表可得。

在滿足材料許用應力[σ]情況下，甲板縱骨的剖面模數最小值Wmin計算如下。

在規范默認的材料下，公式（1）的c1為公式（3）的1/8ρg/[σ]，K 則為區別于默認材料系數，這便是規范經驗設計公式與船舶結構力學模型存在的關系。

引用規范進行應用實例教學時應該側重引導學生思考理論與實踐的聯系，詳細介紹課堂上所學的單跨梁的截面屬性與彎矩等是如何轉化到規范中的經驗公式的。一個優秀的結構工程師需要的就是理論知識結合實踐應用的能力。如在課堂上增加理論聯系實踐的思維引導，一方面可以加強學生的工程實踐能力，另一方面可以提高學生探索科研的興趣，鼓勵學生進一步深造。

有限元的分析技術已經普遍應用于船舶與海洋工程結構領域，多種軟件如ANSYS、PATRAN、ABAQUS 等在船舶與海洋結構物結構分析上應用廣泛。基于應用實例的教學方法應與時俱進，在課堂上介紹和演示相關的專業軟件。通過操作流程的簡單介紹和計算結果的討論分析，如圖6所示能夠直觀形象地展示力學模型的結構特征、邊界條件和應力分布等信息，加深學生對知識點的理解。同時與理論分析的結果進行對比討論，建立有限元分析參數與理論計算物理量之間的關系，明確有限元分析過程相關參數的物理意義。該方法將有助于提高學生對知識點的理解和對工程軟件的認識，為學生以后在實際工程問題中運用有限元軟件打下基礎[6]。根據對畢業生就業情況的調查，接觸過并會使用專業相關軟件的學生更受用人單位的青睞，在工作崗位上學習和應用新的工程軟件所需時間更短。

圖6 單跨梁的有限元分析

4 結語

本文分析《船舶結構力學》應用案例教學的實踐，以剖析船舶甲板結構和單跨梁力學模型的關聯為實例，討論了在教學理念、教學內容和教學方法上結合應用案例的教學改革實踐，結論有以下幾點。

（1）《船舶結構力學》的教學應該與時俱進，培養符合新工科要求的結構工程師，基于應用實例的課堂教學是培養學生工程思維和技能的有效方法。

（2）基于應用實例的《船舶結構力學》教學要從教學理念、教學內容和教學方法多方面建立理論知識與船舶工程應用的聯系。從思維模式到技能訓練、從知識點零散到系統串聯、從傳統理論到現代化技術，提高學生學習船舶結構力學的興趣，鍛煉學生工程思維能力，達到學以致用的目的。

（3）基于應用實例的教學設計需要船舶與海洋工程專業教師和團隊的精心準備，要在每一個環節都滲透理論聯系實際的教學設計，使學生能在潛移默化中鍛煉工程師技能。