軍隊院校工程力學教學引入武器裝備的案例剖析

陳萍　田爽

【摘? 要】基于軍隊院校的工程力學課程不僅是機械類專業的專業基礎課程，理論抽象、應用廣泛，同時還需要緊貼專業、緊貼部隊、聚焦實戰、以能力培養為導向來開展。而將武器裝備實例引入到工程力學教學中是一種行之有效的教學方法。本文通過工程力學課程靜力學專題中的平面任意力系平衡方程的武器裝備實例說明工程力學教學引入武器裝備的方法。

【關鍵詞】工程力學;武器裝備實例;平面任意力系平衡方程

1.前言

工程力學課程是軍隊院校相關專業本科學員必修的專業基礎課程，是連接基礎知識和武器裝備知識的紐帶，理論緊密聯系工程實際，能解決工程實際問題。然而大部分教材所列舉的實例是生活或工程實例，與武器裝備脫軌，與軍隊院校教學改革不符。作為軍校教員，在教學中需要將抽象的理論知識與實際武器裝備緊密結合起來，培養學員將實際問題抽象力學模型的能力，提高學員力學理論應用于武器裝備的工程意識，提高學員發現問題、分析問題、解決問題的能力。

2.武器裝備實例

剛性炮架火炮結構簡圖如圖1所示。下面運用平面任意力系平衡方程求解出火炮射擊時保持靜止和穩定所需要滿足的條件。

分析：在教學中，首先播放剛性炮架火炮射擊時發生不靜止性和不穩定問題的視頻，引出問題，由案例本身的工程背景吸引學員的注意力，讓學員思考如何解決這一問題，使學員的被動學習變為主動學習。其次建立力學模型。《工程力學》教材中大部分的例子和習題給出的結構圖是已經簡化好了的力學模型，施加在非自由體上的約束大都是常見的標準約束類型，這很容易忽略學員從工程實際的原始問題如何抽象力學模型這個關鍵環節的訓練。而實際上武器裝備受到的約束往往并不都是常見的標準約束類型，此時就需要加強抽象力學模型的訓練，讓學員體會到從實物到力學模型抽象、理論分析的過程。然后，根據剛性炮架火炮的受力情況，列出平面任意力系的平衡方程，分析平衡方程的求解結果得出火炮射擊時的靜止條件和穩定條件。最后，用實際例子定量分析出剛性炮架火炮笨重、機動性太差，并且提出解決這一問題的措施，在炮身與炮架之間安裝反后坐裝置。通過這種引入武器裝備的案例式教學不僅將工程力學理論與武器裝備實際應用緊密結合起來，還激發學員的學習興趣，讓學員在學習中不再覺得是公式的簡單套用，而是將工程力學應用化，把實際軍事裝備問題抽象為力學模型，并解決軍事裝備實際工程問題。

解答：第一步：取整個剛性炮架火炮為研究對象。第二步：分析受力情況，先是主動力，全炮重力Qz、膛底合力Pt;再是約束力，分析整體的約束力只需要找火炮整體與固定面的接觸點處的力，即A、B兩點處的約束力。A處是光滑面約束，屬于常見的標準約束類型，約束力FNA沿著接觸點A公法線且指向受約束體，是一個豎直向上的支持力。而B點處不是常見的標準約束類型，此時需要抽象力學模型。從圖1可以看出土壤既限制駐鋤水平方向的位移，又限制駐鋤豎直向下方向的位移，根據約束力方向與所限制的非自由體位移方向相反，可以得出B處的約束力為一個沿著水平方向的力FTB和一個豎直向上的力FNB。這5個力構成了一個平面任意力系，通過平面任意力系平衡方程求解出約束力。第三步：列平衡方程。平面任意力系有三個獨立的平衡方程。

通過這兩個條件來設計某型號剛性炮架火炮，已知該火炮的基本參數為膛底合力Pt=1484kN，全炮重力Qz=17.25kN，駐鋤支點B到膛線的距離h=0.935m，設土壤所提供的抗力為P=0.45MPa。根據靜止條件和穩定條件代入數值計算得出，要想使火炮不向后移動、車輪不離地跳動，就需要1.65m2的駐鋤、80m的大架或35t的質量，顯然這樣子的火炮太笨重、機動性太差。隨著火炮威力的增大，剛性炮架火炮的威力與速射性、機動性的矛盾顯得非常突出。解決這一矛盾的方法就是在炮身與炮架之間安裝反后坐裝置，通過它將炮身與炮架彈性地連接起來。把這種帶有反后座裝置的火炮稱為彈性炮架火炮。彈性炮架火炮射擊時，炮身相對于炮架作后坐運動，而反后坐裝置提供后坐阻力R，R是膛底合力Pt的1/15～1/30。在后坐行程中克服慣性阻力做功消耗大部分后坐動能，小部分被復進機貯存用于使炮身復進到原位。在后坐復進行程中，炮架基本不動，反后座裝置起到非常大的緩沖功能，大大減小炮架的受力。如果采用基本參數與上述剛性炮架火炮一致的彈性炮架火炮，計算得出駐鋤面積和大架長度均為原來的1/20，加入反后座裝置，使得炮架的受力大大減小，大幅度減輕全炮質量，提高發射速度，較好解決火炮威力提高與機動性下降的矛盾。

3結束語

軍隊院校教育需要以部隊需求為牽引而培養人才，堅持把為戰教戰作為教學的基本任務，工程力學作為一門專業基礎課程，軍事裝備應用廣泛，教學過程中需要引入武器裝備實例，激發學員學習興趣，強化學員將實際工程問題抽象為力學模型的訓練，使學員對工程力學知識的用途有更深層次的認識，提高工程意識。作為工程力學教員廣泛收集武器裝備課程中的相關力學問題，提煉出適合工程力學過程的軍事裝備案例，融入到教學中。

參考文獻：

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