《金屬結構課程設計》問題分析與對策研究

李宏娟+髙有山

【摘 要】 針對本科生《金屬結構課程設計》中的具體問題：如何下手做設計；設計時的主要結構尺寸如何合理確定及其簡化方法等進行分析，提出對策，為老師們指導課程設計提供一些建議，也為大四本科生做課程設計提供重要的參考依據。

【關鍵詞】 金屬結構；課程設計；對策

【Abstract】 Analysis has been conducted on specific problems like how to set out a design， how to rationally determine main structure and size during design and what is its simplified method， etc. for undergraduate on Course Design for Metal Structure， not only providing some suggestions for guiding teachers to do the course design， but also offering important reference base for senior undergraduates to do the course design.

【Key Words】 Metal Structure， Course Design， Countermeasure

【中圖分類號】 G64.22 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2095-3089（2016）31-00-02

引言：

對工科學生來講，大學四年的實踐環節如金工實習、生產實習、畢業實習、課程設計、畢業設計等都是高校工程教育培養的重要環節，也是檢驗高校工程教育培養質量的重要指標。尤其是大四學生的課程設計和畢業設計對他們畢業后很快適應設計工作起到了決定性的作用。因此，指導教師不僅要認真指導相關實踐環節，還要把實踐環節的重要性告知學生，否則，學生稀里糊涂的做完設計后都不知為何“做”，“做”為何。

機自專業起機方向是本校傳統特色優勢專業方向之一，四門專業特色課程《起重機械》、《金屬結構》、《輸送機械》、《工業車輛》分別對應《起重機械課程設計》、《金屬結構課程設計》、《輸送搬運機械課程設計》（對應《輸送機械》《工業車輛》兩門課）三個課程設計，體現了本專業方向的傳統課程與實踐環節結合緊密的特點，也為學生做畢業設計打下堅實的基礎。因而這三個課程設計的重要性不言而喻。筆者擔任該專業方向的《金屬結構課程設計》指導老師，在多次指導該課程設計過程中，發現了一些共性問題，也在多次指導設計時做了很多思考和研究，現將具體問題及對策逐一進行分析。

1 明確設計概念

一聽到課程設計，學生還有些摸不著頭腦，總是要讓指導教師提供算例，否則，無從下手。而在指導教師提供算例之后，學生又一味只會照算例上按部就班的進行設計計算，不敢有一點“創新”，完全違背了設計的本意。設計應該是“求異”的過程，而不是“求同”。學生在參考算例后只知其然，不知其所以然。所以，指導教師不僅要讓學生明白每一個課程設計的目的、意義、方法，還要讓學生清楚設計的概念，即“設計——從無到有，計算——從有到數，繪圖——從數到圖，制造——從圖到物”的創新設計全過程。

2 《金屬結構課程設計》中典型問題分析與對策

2.1簡化箱形梁截面設計

《金屬結構課程設計》中通用橋式起重機橋架結構設計是結構課程設計中最為典型的一類，在此類設計中，通常采用箱形梁截面。即由四塊鋼板焊接組成封閉截面（如圖1），分別是上蓋板1、腹板2、3和下蓋板4，然而確定每塊板的尺寸就成為結構設計的主要任務，通常是把截面看成一個整體，即確定梁的高度h、寬度B和板厚δ，即使如此，尺寸參數有腹板高h1，蓋板寬B1，和四塊板的厚度δ1，δ2，δ3，δ4，翼緣外伸Le（外伸尺寸相同）7個，不論是通過編軟件還是手工計算截面特性，都是一件比較繁瑣的事情，尤其是設計過程中需要調整改變參數多次計算，不僅用時長，而且出錯率高。本文提供一種簡化截面方法，將截面簡化為封閉模壓箱形截面（如圖2），即h1不變，b1=B1，δ1=δ2=δ3=δ4=δ，Le=0，截面尺寸參數減少到3個：高、寬、板厚，且截面特性計算簡化，截面特性計算公式如下：

從公式中，明顯能夠看出計算簡化，而且，手工計算也用時短，準確率高，便于調整結構參數多次計算。從該簡化截面得到主要截面尺寸參數后，再根據結構特點對結構參數進行微調，比如，偏軌箱形梁可以將主腹板厚度適當增大，輪壓作用的翼緣板厚度適當增大等。截面簡化前后的計算結果如表1所示。

通過表中10組數據的計算可以得出，簡化后截面的凈截面積平均減小1.13%，慣性矩平均減小4.14%；反過來，根據簡化截面得到的標準焊接箱形梁截面凈截面積和慣性矩均增大，因而設計結果是偏安全的。

2.2載荷計算時抓主要矛盾

在做主梁載荷計算時，學生對小車架結構及小車輪壓分配理解不充分，有時無法確定小車架重心位置及吊鉤位置的精確值即圖3中l1、l2、e的值。這里提供一個簡化方法，在設計時抓住問題的主要矛盾，若沒有做小車架設計且原始設計參數中沒有給出相應小車架結構參數，可忽略吊鉤和小車架重心的偏心距，將小車架重心和吊鉤位置視為在小車架中心來做初步計算，即e=0，，對計算結果影響不大。下面將靜輪壓的精確計算與簡化計算做一比較如表2，簡化前計算參照教材第九章[1]，簡化后計算公式如下

從表2可以看出，簡化后的靜輪壓比承載較大的主梁上的小車輪壓總和小10%左右，看似簡化后的載荷比實際載荷小，計算偏危險，實則不然。危險截面的強度驗算是取內力最大截面，在簡化計算時，往往將小車輪距忽略，跨中危險截面的最大彎矩，下面再進行一組比較，取表2中的PQ=50t，PGx=16t這組數據，將精確計算小車輪壓及作用點下的最大彎矩與簡化計算小車輪壓情況下的最大彎矩值進行計算比較如表3，承載較大的主梁力學模型及彎矩圖如圖4所示。

從表3可以看出，按簡化后的模型計算最大彎矩，與精確計算小車輪壓及作用點下的最大彎矩相比，隨著跨度與小車輪距比值的增大彎矩增大率呈下降趨勢，比值較小時，彎矩增大率為正值，簡化模型彎矩大；比值較大時，彎矩增大率為負值，精確計算彎矩大。也就是簡化計算和精確計算結果的安全性并無優劣，但簡化模型計算方便，故做設計時可先按簡化模型進行初步設計計算，如有精確原始數據參數，再按照精確模型進行驗算。

2.3正確使用經驗公式

在做設計時，學生往往喜歡套用教材上的經驗公式，如：

箱形主梁的高，寬及

從計算的范圍中選擇一個值，然后定出截面再進行校核驗算，驗算不合格重新選擇參數，但始終不敢超出經驗公式的范圍，這樣就導致很多學生設計結果不理想（驗算的強度、剛度、穩定性與許用值相差較大）。因此，筆者在這里給出一些指導性對策：

（1）在初步設計時，可以先按經驗公式選取參數，但選取時也要考慮起重量，起重量大的選較大值，起重量小的選較小值，然后進行初步校核驗算；

（2）驗算合格且合理（占許用值的80%左右），則可將該設計參數作為最終設計結果；

（3）驗算合格但不合理（小于許用值的50%），則重新選擇截面參數，若梁高取到經驗公式的下限驗算值還較小，這時，可以完全拋開經驗公式的限制，梁高可以降到經驗公式下限以下，要根據自己的設計參數適當調整截面參數；

（4）驗算不合格（大于許用值20%以上），則增大截面梁高，若取到經驗公式的上限還較大，則可以增加到經驗公式上限以上，具體情況要視自己的設計參數來定。

以上四點也是筆者的經驗之談，給初步做設計的學生一些方向性的指導。設計參數千差萬別，驗算結果也會有各種情況，學生要做好設計，至少要經過三至五次的反復驗算。否則，設計結果不會太理想。

3 結論

《金屬結構課程設計》是本校機自專業起機方向學生《金屬結構》課程理論聯系實踐的“實戰演習”，也是為畢業設計打基礎的一次“大練兵”，學生要從思想上給予重視，端正態度，明確設計概念，清楚設計方法，理清設計思路，抓住設計重點，結合上述幾個典型問題及對策，根據各自的設計參數，具體問題具體分析，做出具有創新思想的合理設計，為自己交一份圓滿的課程設計答卷。

參考文獻：

[1]徐格寧，機械裝備金屬結構設計[M].2版.北京：機械工業出版社.2009

[2]起重機設計規范編寫組.起重機設計規范（GB/T3811-2013）[M].北京：中國標準出版社.2013

[3]石彪，周鮮成，劉利枚.提高工科課程設計質量的思考[J].黑龍江教育（高教研究與評估）.2006（3）

[4]崔軍，汪霞.社會對高等工程教育課程改革的訴求研究：基于大四工科畢業生的調查[J].中國大學教學.2013（3）