“船舶強度與結構課程設計”課程的教學研究

宋 博

（廣州航海學院船舶與海洋工程學院，廣東廣州510725）

1 課堂概況

“船舶強度與結構課程設計”是一門培養(yǎng)學生掌握船舶強度校核和結構設計方法的集中實踐課程，是集專業(yè)性、理論性和實用性于一體的專業(yè)必修課。隨著船舶科學技術的發(fā)展，船舶結構設計理論、方法都有所改變，尤其是加入了有限元軟件的應用，讓學生更直觀了解船體強度校核的重點位置和優(yōu)化結構的設計方法。通過2周40學時集中實訓掌握船舶強度分析和結構設計基本知識，了解最新船舶結構規(guī)范，將理論與實踐應用結合，通俗易懂，并且可以使學生在短暫的集中實訓環(huán)節(jié)中，把握現代船舶企業(yè)中船體強度和結構設計的新方法和新技術。

經過近兩年的教學實踐觀察，總結出：通過重新組織和改革“船舶強度與結構課程設計”課程，使學生更容易了解本課程對未來職業(yè)生涯的實際作用，進而發(fā)揮主觀能動性地將以往的理論課程學習與實踐能力素質培養(yǎng)結合起來，將任務轉化為有意識的自主學習，教學效果明顯。

2 課程大綱的修訂

一門合格的課程需要適用的教學指導文件——教學大綱。以往的教學大綱基于傳統教學過程和經驗，理論性強，素材多為雜貨船，內容落后，不與時俱進，適用性差。因此，為了提高教學效果，通過調研，整理楊代盛主編的國內經典教材《船體強度與結構設計》，重新修訂了知識體系更為完整、更貼近生產實際的新教學大綱。同時為了達到更有效的教學質量，取消了“船體縱向扭轉強度”部分，添加了“有限元法在船體結構設計中的應用”任務。

3 講義的編寫與完善

通過詳細的調研和長期的教學總結，在認真分析了華南理工大學、武漢理工大學、哈爾濱工程大學船舶與海洋工程工程專業(yè)使用教材的基礎上，結合廣州航海學院學生條件和學校定位以及培養(yǎng)目標，重新編寫了“船舶強度與結構課程設計”講義，如表1所示。新講義內容上兼顧了傳統經典的教學任務，也融入了行業(yè)最新的設計知識。

表1 教學任務

新的講義包括了4章具體內容。第一章介紹了利用靜水力曲線和邦戎曲線，計算給定工況下船舶靜置在波浪上的靜水剪力與彎矩計算，波浪附加剪力與彎矩計算，并利用剪力和彎矩近似估算規(guī)范，進行強度校核，計算實例分析［1］。第二章總縱強度的直接計算法，包括船體剖面要素計算、船體總縱彎曲正應力計算、船體屈曲強度，以及船體極限彎矩的計算，總縱強度計算實例分析。第三章船體結構規(guī)范法設計，包括規(guī)范設計基本思路、船體構件的基本材料、規(guī)范對船體縱向強度的要求、設計實例。第四章有限元法在船體結構設計中的應用，包括船體結構有限元模型、載荷計算、邊界條件、強度準則、強度分析、屈曲分析、實船分析［2］。

區(qū)別于理論課教材，本講義的特色之處在于：（1）實用性。講義的實用性主要體現在基于船體強度和結構設計，本講義必須包括船舶強度計算的基礎，包括船舶在靜水中以及靜波浪中的外力計算、內力計算，基于材料力學彎曲梁的總縱彎曲應力計算，以及基于鋼制海船入級規(guī)范的船體典型剖面結構設計。這些內容是完成船體結構設計并進行強度校核的主要內容，學好這些基礎，有助于學生掌握好船體強度和設計的基本概念和方法。在集中兩周的課程設計過程中，以船廠提供的已建成的船作為母型船，讓學生親手完成船體典型剖面的結構設計并進行強度校核，設計對象不同于以往一些課程中的設計實例，落后、不合時宜，不反映現代科學技術，相反，作為即將走入社會、面對工程實際問題的大四學生，應培養(yǎng)好應用型的技術。（2）先進性。船廠設計技術在更新，設計方法在優(yōu)化，要求在教授專業(yè)知識時要與時俱進，不僅要秉承經典的設計方法和理論，還要考慮到行業(yè)發(fā)展的背景，因此本講義加入了船舶結構有限元分析部分，講授利用有限元分析軟件，進行整船分析、艙段分析和局部有限元分析。并結合CSR（國際船級社于2006年4月發(fā)布的散貨船共同規(guī)范），結合1條2萬噸級船廠大于150 m的散貨船，介紹船舶結構屈服和屈曲強度的分析。有限元分析軟件NASTRAN是船舶行業(yè)中的主流軟件，針對工程實際應用，有近70種單元的單元庫，反映了近些年船舶結構設計發(fā)展起來的新內容和新方法。

4 “船舶強度與結構課程設計”的優(yōu)化

課程設計是本科教學中實踐教學環(huán)節(jié)的重要組成部分，對于實踐能力的培養(yǎng)具有重要的作用。傳統的船舶強度與結構課程設計根據理論課知識重點，通常要求學生完成兩個方面內容，即利用船舶設計規(guī)范，根據母型船主尺度和結構草圖和設計要求，完成設計船的基本結構構件設計，確定構件尺寸選用合適型材，并繪制典型剖面的中橫剖面結構圖。多年教學經驗發(fā)現，傳統課程設計內容存在不足，通常一個教學班完成的是同一個設計任務，缺少團隊合作，設計成果和選材亦有抄襲情況，不利于學生真正掌握設計和計算方法，而且只能涉及一種船型。為了提高教學質量和學習效率，亦可以訓練學生結構規(guī)范設計和橫剖面圖的繪制，在總學時不變的前提下，增加了有限元軟件NASTRAN分析工程實際問題中船體局部結構強度的內容，這種基于問題的新的教學方式，培養(yǎng)的學生更加具有解決實際問題的能力［3］。

具體改革措施：（1）在新編講義的指導下，根據設計任務書，一個教學班級每4～5個人分成一個任務小組。設計任務都是基于工程實際，可以是不同的船型，或是同一船型的不同結構形式、不同主尺度、不同噸位，也可以是不同的局部結構（船底板架、舷側板架或是甲板板架）。（2）任務小組中設立組長，對整個設計任務負責，各成員之間合理分工，通力合作完成課程設計的總任務并形成設計報告和匯報PPT。每個任務小組人數有限，要完成設計任務必須全員參加，合理分配任務，客觀上解決了以往設計任務敷衍了事、抄襲的現象。在完成任務的過程中，督促學生必須主動查閱資料，確定合理的設計方法，并且訓練了學生書寫計算書、編輯報告和辦公軟件的能力，為畢業(yè)設計和畢業(yè)實習打下基礎。（3）為了讓每一個學生都參與到具體的設計工作，將以往的全船結構設計，分解為部分艙段或結構的設計，這樣結構設計更加細致，便于更好地熟悉規(guī)范的結構設計內容和訓練學生對于典型橫剖面圖的繪制能力。（4）增加了應用有限元軟件NASTRAN分析，并完成校核船體局部結構強度的內容，更加直觀地了解應力和變形的分布規(guī)律，如圖1所示。

圖1 典型結構有限元模型

5 結語

在修訂的新的課程設計大綱指導下進行設計實踐后，將訓練學生全面使用船舶結構強度、結構力學、船體結構和計算機繪圖等專業(yè)課程的理論知識來分析和解決實際問題。通過理論計算、有限元結構分析、結構設計、結構繪圖、查閱文獻和計算機應用程序等，培養(yǎng)學生正確的設計思想和勤奮創(chuàng)新的創(chuàng)新精神，提高他們的專業(yè)素質和解決問題的能力。

從2017年開始，新的教學計劃已在船舶和海洋工程專業(yè)的船體強度和結構設計教學實踐中使用。從近年來的實踐成果來看，經過課程大綱的修訂和完善，課程內容更加接近工程實際。隨著工程實踐的發(fā)展，學生的學習效果得到了很大的提高，綜合能力和素質得到了提高。鍛煉后，學生反饋良好，課程改革取得了良好效果。