反思案例，激勵創新

李　鋒

摘 要:案例教學法是培養學生探索創新精神的行之有效的教學形式之一。其關鍵環節是對案例的精選和開發，使之具有更豐富的形式和內涵，以便提供更廣闊的創新思維空間。好的教學案例既能體現靈活運用科學原理，又能體現益智和教育功能。在教學實踐中，我們體會到，開發利用優質案例資源是培育創新精神的重要途徑。

關鍵詞:案例教學創新 材料力學

案例教學法是培養學生探索創新精神的行之有效的教學形式之一。其關鍵環節是對案例的精選和開發，使之具有更豐富的形式和內涵，以便提供更廣闊的創新思維空間。一般的工程實例只須具有事實素材上的針對性和典型性，而好的教學案例還應是有益有趣、多姿多彩，能夠引人思索，令人回味，啟人心智；既能體現靈活運用科學原理，又能體現益智和教育功能。在教學實踐中，我們體會到，開發利用優質案例資源，通過對相關案例進行反思和感悟是培育創新精神的一個重要途徑。本文介紹了在材料力學課程教學中開發應用的3個典型案例。

案例一：高強度螺栓脆性斷裂

事件：遼寧某化機廠生產的臥式壓力容器在產品檢驗中需進行大量的水壓試驗。該容器端蓋用32根高強度螺栓固定，螺栓正常工作應力的安全系數n=2.5。在時間緊、任務重的情況下，當班工人為了提高工效，擅自將固定容器端蓋的螺栓數量減了一半，認為半數螺栓足以保證原有的密封和安全性能。結果沒想到，在試驗中當內壓接近規定的試驗壓力時，全部螺栓突然同時崩斷，端蓋飛出，造成了事故。所幸尚未導致人員傷亡。

問題：2.5倍的安全系數為何不能保證半數螺栓的安全承載？螺栓斷裂前為什么沒有首先發生容器泄漏，而是直接出現脆性的強度破壞？

分析：關于螺栓工作時的安全程度，當班工人只知其一，不知其二。其實，水壓試驗壓力并不等于容器正常操作壓力，而是它的1.5倍。這是安全規程的要求，對于壓力容器這樣的重要產品必須采用更為嚴格的質量標準。由于螺栓數減半，螺栓實際應力為正常操作時的1.5×2=3倍，對于安全系數2.5的設計顯然已不再能滿足強度條件的要求。通常的結構鋼材被拉斷之前會發生大的屈服變形，由此判斷，似應首先出現容器泄漏并導致壓力降低。此案例沒有發生容器泄漏，這是因為螺栓是采用經過熱處理的高強度鋼材，其名義屈服強度已顯著提高，達到其強度極限的0.9倍。高強度螺栓直到斷裂之前的塑性變形都很小，不足以引起容器嚴重泄漏。容器沒有首先泄漏，也可能是因為螺栓在上緊的過程中，其預緊力已經超越了規定值，以此彌補螺栓數減半后總壓緊力的損失。這一因素也會加速螺栓被“意外”拉斷的進程并增加破壞時的脆性。

案例二：神秘的高壓容器泄漏

事件：大連某煉油廠建廠初期對進口設備進行驗收檢測。一臺受內壓的高壓容器在試壓時端蓋部位出現了嚴重泄漏現象。廠方首先懷疑密封部件存在質量問題，經過仔細檢測后排除了這種可能性。有人懷疑沿周邊均布的高強度螺栓的預緊力可能不均勻，實際上螺栓預緊是由專用設備按專門程序完成的，可以保證螺栓力成對同步對稱逐級地增加到預定值，因此，不存在壓力偏心和壓力不足的可能性。經過重復試驗，同樣的泄漏現象依然如故，神秘的泄漏使試壓人員感到迷惑不解。大連理工大學的一個科研小組應邀參與解決這一難題，提出了現場試驗監測的解決方案。經現場實際測定，在規定的容器操作壓力下，螺栓的緊固力偏小，不足以滿足密封條件，而相應的螺栓工作應力僅達其屈服強度的一半，即此時螺栓工作應力的安全系數n=2。按照設計說明書，螺栓工作應力設計值取其屈服強度的0.6倍。在儀器現場監測下繼續增大螺栓的預緊力，直至泄漏現象完全消失，最終的螺栓工作應力實測為其屈服強度的0.8倍，相應的螺栓安全系數n=1.25。為保證設備正常工作，按照上述測量結果需對原操作說明書做出相應的修改，這一修改意見最終得到了技術轉讓方的認可。

問題：嚴格按照操作規程上緊螺栓卻還會出現容器嚴重泄漏說明了什么？操作規程規定的螺栓強度安全系數是n=2，最終實際取用的是n=1.25，這意味著已經不滿足原強度條件，并且相差甚大，為什么會被允許？

分析：泄漏現象說明原設備密封操作條件未得到滿足，或螺栓的密封預緊力過小，再加上螺栓還受到內壓引起的拉力作用而使密封失效。由于緊固螺栓的程序完全是嚴格按照操作規程進行的，這說明規定的螺栓預緊條件與螺栓設計的強度條件相矛盾，即原來的操作規程對螺栓采用了過大的強度安全系數，以至于不能滿足正常使用功能的要求。修正后的安全系數雖然低了很多，但尚有必要的強度儲備，而且，螺栓上緊程序是受到專用設備嚴格控制的，超載的可能性遠低于人工加載方式，因此，較低的安全系數可以被接受。否則，若認為1.25倍的安全系數偏低，必須修改設計，換用更高強度級別的螺栓才行。

點評：反思上述兩起涉及壓力容器固定螺栓的事件，一個是強度實效，一個是密封失效，分析所得的結論也截然不同。前者強調了滿足螺栓強度條件的重要性，試驗中工人必須嚴格遵守操作規程才能防止事故發生。后者說明，當嚴格論證后確認操作條件的某些規定是不合理的，可以而且必須突破原操作規程的限制。兩者的根本區別是：螺栓失效的性質和控制因素不相同，因而，主要矛盾也不相同。強度實效發生在極限狀態，那是個不可超越的限制；而密封實效時，螺栓的工作應力距離強度極限尚遠，螺栓的安全系數需要根據密封工作條件適當地取值。必須指出，當依據科學判斷有必要采取措施突破操作規程的限制時，必須要有可靠的安全監控手段，同時，還要經過必要的審批程序。

案例三：巧解斷纜難題

事件：輸油船穿梭在遼東灣的海上采油平臺之間，卸載儲油罐中的石油。輸油船在作業時，用纜繩通過位于平臺一側的系纜樁來固定船位。2001年冬季，船纜的巨大拉力曾造成了兩起破壞事件。第一次，固定系纜樁的地腳螺栓被拉斷了，說明船纜的拉力已經超載。為了減小拉力，系船的纜繩增加為三根分別系在三個獨立的樁上。在另一次輸油作業接近完成時，三根胳膊粗細的纜繩中的一根又被拉斷了。這些事件引起有關部門的高度重視，因為斷纜可能導致船位瞬時失控，萬一與平臺直接相撞，后果不堪設想。有關方面請來專業人員參與探討對策。觀察發現，船纜的巨大拉力直接來源于大面積漂流冰排作用在船體上的水平推力，這個推力大小取決于冰在船體上破壞的強度，可認為是個常數。另一個因素是船纜線的傾角，即船纜線與水平面的夾角。斷纜破壞是在船體裝載和潮位變化的最不利組合條件下發生的。經過分析，專家提出的了改變作業時間的對策，由此避免了同類破壞的再次發生。

問題：船纜所受的拉力與時間存在什么關系？為什么改變輸油時間能解決船纜的強度問題？

分析：三根船纜存在固定位置、傾角和系纜順序上的差別，構成一個靜不定系統，相應的拉力各不相同，且總有一根處于最危險狀態。若將船纜所受拉力的水平分量看作是一個常數，則拉力的大小是船纜線的傾角的增函數。船纜強度分析的最不利條件在傾角最大時，或者說船甲板處于最低位置時發生。我們知道，一方面，輸油船的吃水深度會隨裝載量的增加而增大，而海平面由高潮位轉為低潮位可產生最大的落差；另一方面，由于輸油作業的耗時約為6小時，與潮汐的周期大致相等。這樣，如果輸油作業從高潮位的時刻開始，裝滿船艙時又恰逢低潮位，會產生最不利因素的組合，這正是斷纜破壞發生的實際情況。由于遼東灣的潮差很大，它對船纜受力的不利影響非常顯著。根據這一分析，輸油船采用了改變作業時間的建議：輸油從低潮位時刻開始，至高潮位時結束，這樣輸油時船體吃水深度的增加會被潮位的上升所抵消。之后的實踐表明，這一不需花錢的對策巧解了斷纜的難題。

點評：拉伸強度分析的原理極為簡單，可表達為F/A([(]。普通的計算例題雖然也存在不同的計算類型，但通過強度不等式的定量關系，完全可以舉一反三。然而，上述三個案例雖都涉及材料拉伸強度問題，但事件中的突出現象、矛盾、問題、影響因素和解決途徑卻不盡相同。第一個案例中，強度破壞的原因是減小了總螺栓截面積A。第二個案例中，密封失效的原因是不適當地對螺栓取用了過低的許用應力。第三個案例討論降低或限制軸向拉力F的途徑。這些案例中存在比計算例題更多的內涵值得回味和反思。首先，三個案例都沒有歸結為一個力學模型的數值計算，而是將討論的重點放在定性分析的過程上，定性分析沒有現成的公式可以套用；其次，三個案例也并非是應用同一原理或方法，實際上三個案例側重于不同的主題，因此也不可能套用某一思維定勢從一個案例的結果中舉一反三地推斷出其余案例的解答來，求解必須對具體問題作具體分析；第三，案例本身并沒有為我們直接提供一個對一類問題普遍有效的方法論，僅僅是展現了不同事件的過程和結果的事實，所有的經驗教訓，心得體會都要靠案例分析的參與者們自己通過剖析和反思去領悟或感悟。置身案例情景，情感交融的辨析過程創設了培養創新精神所需的良好氛圍。

案例討論和分析著重于對事件主要矛盾、主要矛盾方面和主導因素的辨識，有利視角、有效方法、可靠途徑的選取等，這為參與者提供了難得的間接創新思維的機會。設身處地地情景運用，深入細致地剖析反思，使學生們切身體驗當事者的困惑，探索者的膽識，質疑者的勇氣和成功者的睿智。在這一過程中，學生的創新意識將得到激發，創新思維將得到鍛煉，創新精神將得到升華。