金屬結構課程中穩定性問題教學研究

張楠

摘? 要 結合多年的工程機械類課程金屬結構的桁架結構穩定性教學經驗，提出將軟件應用、實際工程和課程理論教學相結合的教學方法，主要講述把ANSYS計算機工程軟件應用于起重臂桁架結構教學中，提高學生的工程實踐能力、工程設計理論計算能力和工程創新能力。

關鍵詞 金屬結構;桁架結構;工程軟件;ANSYS

Abstract In the teaching experience of the truss structure stability of the Metal Structure of the engineering machinery course for many years， a teaching method combining software application， practical engineering and course theory teaching was proposed. This paper mainly describes the application of ANSYS computer engineering software to the teaching of the jib truss structure. The teaching me-thod will greatly improve students engineering practice ability， engi-neering design theory calculation ability and engineering innovation ability.

Key words metal structure; truss structures; engineering software; ANSYS

1 課程介紹

金屬結構是工程機械裝備的主要內容，它直接影響工程機械設備的工作性能指標，也是機械裝備理論設計的關鍵性課程之一。桁架結構的穩定性問題是金屬結構課程的主要內容。桁架結構中的桁架指的是格構式構件的一種梁式結構。桁架構件在建筑工程中應用廣泛，同時應用在工程機械裝備領域，如塔式起重機臂架就是桁架結構。桁架主要是由桿件通過對接焊縫和角焊縫連接起來，或以鉚接或螺栓連接而成的支撐橫梁的空間桁架結構。另外，桁架也有一些由支鏈桿組成，大多數是連接成三角形的平面結構或空間體系結構。桁架結構主要承受力為桿件承受的軸力（受到壓力和拉力）。其優點是能充分利用構件的強度、節省材料，減輕自重和增大剛度。如在跨度較大時，桁架比其他的梁（如實腹梁）用的材料更少，剛度更強[1]。

穩定性是桁架結構的重點，也是教學中的難點[2-3]。桁架的整體穩定性和局部穩定性是很復雜的問題，與橫梁的強度校核相比，桁架穩定性問題更加抽象且整體穩定性校核的公式更加復雜，使學生難以掌握和理解。因此，桁架的整體穩定性和局部穩定性問題是教學重點與難點[4-6]。

在現代教學課程中，桁架結構的穩定性教學大多數以課堂講解理論知識為主，以例題講解和課程設計為輔。經過實踐證明，對于桁架構件的整體穩定性和局部穩定性，單靠課堂理論講解很難讓學生理解并掌握它。因此，筆者提出采取工程ANSYS軟件仿真與理論教學相結合、實際工程和課程理論教學相結合、傳統理論方法和計算機軟件模擬相結合的教學方法。這類教學模式需要教師有“桁架結構穩定性”和“工程機械金屬結構綜合課程設計”的教學經驗，同時需要具有一定的金屬結構課程教學經驗，并且具備運用工程軟件分析桁架設備的工程項目實踐經驗。通過調查發現，把工程軟件應用在桁架穩定性教學中，對促進學生工程實踐能力、工程設計理論計算能力的提高具有積極作用。

2 ANSYS軟件在教學中的應用

桁架結構的整體穩定性和局部穩定性的公式比較復雜，理論更加抽象，在課堂上用傳統的理論教學方法讓學生全面理解穩定性問題相對來說比較困難。因此，把ANSYS工程軟件應用在教學中，使學生更好地理解桁架結構的整體穩定性和局部穩定性。工程軟件ANSYS是工程機械設計專業所需要掌握的軟件，學生可以通過使用ANSYS工程軟件分析桁架來理解桁架穩定性。為適應新形勢下工程機械專業教育的發展，需要系統和完整地將工程軟件ANSYS分析和金屬結構中的桁架結構課程內容真正結合起來。這就需要利用工程軟件ANSYS系統地計算分析桁架構件的內力和穩定性問題，才能將軟件應用和理論教學真正結合起來，設計最合適的教學方法。

具體設想為：以工程機械專業學生為研究對象，在課堂理論教學中系統地應用工程軟件ANSYS展示桁架的分析結果，將軟件應用和理論教學相結合的教學方式與其他教學方法有機融合，再結合學生學習過程中出現的問題和教學效果的反饋，對教學方法進行逐步完善，形成一套完善的教學方法。教學過程中的具體思路如下：

1）應用工程軟件分析出桁架的性能圖片，再通過桁架結構整體穩定性和局部穩定性知識講解，加深學生對理論知識的理解，以達到預期的效果;

2）將工程軟件ANSYS的基本操作步驟添加在桁架的學習過程中，應用ANSYS分析桁架結構的構件內力和穩定性例題，并與理論計算內力相對比，激發學生的學習興趣，讓學生帶著興趣學習，可以取得非常良好的效果;

3）課上演示軟件操作步驟，課后讓學生自己動手進行軟件操作，提高學生興趣的同時，加深掌握金屬結構的基本知識，更鍛煉學生的工程軟件應用能力，提升學生對桁架結構的穩定性理論的興趣。

3 工程實際和課程理論教學相結合

桁架結構的整體穩定性和局部穩定性設計是機械結構設計中的重要組成。為加深學生對桁架整體穩定性和局部穩定性理論知識的理解，必須使學生了解桁架結構整體穩定性和局部穩定性的重要作用，由此需要把工程實際和課程理論教學相結合，在再結合平時積累的教學素材，整理出桁架結構穩定性問題的教學內容例證。

1）利用工程軟件解決實際應力應變問題，呈現出機械結構的動力學特性。不考慮結構可能發生的局部缺陷，也不考慮結構整體或部分失穩導致整個桁架梁應力重新分布，繪制桁架梁的應力圖。利用圖片展示和講解說明，利用工程軟件繪制箱型梁受彎構件的內力圖。

2）下面計算純彎曲載荷下桁架梁的失穩彎曲的情況，通過圖片可以發現桁架梁的腹板與翼緣板都發生失穩。但是由于翼緣板寬度比腹板小很多（本例中腹板和翼緣板厚度相同，翼緣板的寬厚比遠小于腹板的寬厚比），因此，翼緣板的臨界失穩載荷比腹板大。

以塔式起重機臂架工程實際為例，采用工程軟件ANSYS對工程實際中起重臂桁架的內力、整體穩定性進行分析，并把其分析內容應用到課程教學中。具體例子如利用工程軟件解決桁架結構的實際應力應變問題，呈現出機械結構的動力學穩定性。

首先在工程軟件ANSYS中建立臂架桁架結構的模型如圖1所示;在不考慮結構可能發生的局部缺陷時，工程軟件繪制的臂架桁架的變形穩定性分布如圖2所示。

4 傳統理論教學和計算機軟件分析相結合

傳統的桁架結構穩定性教學方案大多偏重理論，使學生難以理解且興趣不高。在傳統教學方式中，理論知識在實際工程中的應用一直是本科教學中的重點要求，使學生更好地掌握知識，讓學生能夠理解桁架結構的整體穩定性和局部穩定性的知識。但這在一定程度上阻礙了教學改革發展，同時導致許多學生對理論知識的實際應用能力較為薄弱。

黑板板書是課堂教學的傳統方式，但隨著計算機多媒體的發展，多媒體教學和黑板板書相結合的教學方式也越來越受到廣大師生的歡迎。在現代教學方式中，把多媒體和板書相結合的教學方式對傳統理論教學和計算機軟件分析相結合的教學方法有著重要啟示。因此，在桁架結構穩定性教學探索中，在教學過程中應該將傳統理論教學和計算機ANSYS軟件分析結合在一起，進行桁架穩定性理論推導。

如將塔式起重機臂架這類桁架結構的桿件穩定性過程用ANSYS工程計算機軟件應用制作成三維動畫，在桁架結構穩定性和彎扭問題通過高清攝像機和計算機操作進行實時展示，并利用工程軟件分析和操作桁架結構失穩時的變形和應力狀態。工程軟件ANSYS操作步驟如下：

1）定義單元類型，選擇單元類型，臂架優化設計時選用BEAM188，因為其適用于分析厚梁結構/細長到中等粗短;

2）定義單元的類型并輸入實際的參數，即臂架梁單元的截面參數，在下面的圖片示意中選擇相應選項定義材料的屬性，如密度、彈性模量、泊松比等，并輸入相對應的值;

3）塔機臂架的模型結構相對來說是比較簡單的，只需要在ANSYS的三維坐標系中按照順序依次輸入各個節點所在的坐標位置，然后將每個點的坐標根據建模需要連接成直線即可（在建模前要對塔式起重機臂架的形狀有一個很深入的了解，這樣才能快速又準確地列出每個節點的坐標）;

4）用直線把所有關鍵點連接起來，并對線進行單元的劃分;

5）得到的解越精確，就越需要對臂架進行更多的單元劃分，定義每條直線需要劃分的網格數是第一步，并進行單元劃分，形成網格;

6）施加載荷與約束，在臂架與塔身連接處定義好約束，臂架在豎直平面內還要受到自身重力影響，臂架自重通過密度及重力加速度來實現，水平平面內受風載荷以及回轉慣性力，風載荷通過均布載荷的添加來實現。

在傳統理論教學中，授課教學過程中往往是教師占據主導位置，學生都是被動學習，相對來說課堂相對枯燥乏味，對調動學生的學習熱情和積極性非常不利。在進行桁架穩定性教學時不能被動式教育，而教學中的主要任務是讓學生在理論教學基礎上進行工程軟件實際操作等，讓學生能夠去理解和掌握桁架的整體穩定性和局部穩定性問題，應逐步培養學生能夠解決實際工程問題的能力。將傳統理論教學和計算機軟件分析相結合，要讓學生能夠完全掌握和理解桁架結構的穩定性在工程機械中的實際應用，使得學生能夠將課堂所學運用到實際中。

5 結語

本文著重于工程機械類課程金屬結構中的桁架結構穩定性問題，結合多年的教學經驗，探索出切實可行的軟件應用與理論教學相結合的教學方案。該教學方案將實際工程問題和課程理論、ANSYS工程軟件分析相結合，并在教學過程中進行逐步完善。該方案將對學生工程實踐能力、工程設計能力和工程創新能力的提高具有積極作用。

參考文獻

[1]盧耀祖，鄭惠強，張氫.機械結構設計[M].上海：同濟大學出版社，2009：1-274.

[2]黃寶玉，項國雄.國家精品課程建設現狀分析及思考[J].中國高教研究，2007（9）：72-76.

[3]李旻，黃平.機械優化設計課程案例教學的研究與實踐[J].機械工程師，2010（8）：18-20.

[4]徐格寧.機械裝備金屬結構設計[M].北京：機械工業出版社，2010.

[5]薛艷霞.《鋼結構》課程教學的認識與實踐[J].福建建筑，2014（12）：118-120.

[6]贠英偉，范豐麗，張廣峻.大學鋼結構課程教學改革探索[J].理工高教研究，2006（5）：115-116.