論材料力學教學中學生工程素養的培養

李 鋒 周立明 郭桂凱

（吉林大學機械與航空航天工程學院，吉林 長春 130025）

0 引言

材料力學是工科專業的一門基礎課程，通過對桿件的強度、剛度和穩定性等問題的學習，進而研究桿件的變形和破壞規律。 傳統的材料力學教學模式只注重知識的傳授，而忽視了學生工程素養的培養，而“一流” 課程建設則要求學生的培養更注重能力和素養。因此改革傳統的教學模式，提高學生分析問題和解決問題的能力具有重要的意義[1-4]，具體可以從以下方面入手。

1 從生活中的力學談起，激發學生的學習熱情

樹干上細下粗，是因為樹干受到風載，越靠近地面，所受到的彎矩越大，因此樹干下部的直徑比上部的要大。 大多數動物骨骼是空心的，這是因為對于彎曲變形，距離中性軸越近，應力越小，而對于扭轉也一樣，距離圓心越近，應力越小。 因此，可以把承受應力小的部分去掉，這樣既可以減輕重量的同時也可以保持較高的強度。 但是，對于承受軸向拉伸的桿件，做成空心的卻不能省材料， 這是因為對于軸向拉伸構件，其應力均勻分布。又如對于標準雙桿，其外伸端長度a和中間的長度l 之比應該為1/4，這是因為重為F 的人作為移動載荷在雙桿上移動時， 有兩個危險位置，一個是外伸端端部，此時雙杠的彎矩為Fa（假設人在雙杠的一側）；另一個位置是中間段的中點，此時雙杠的彎矩為Fl，標準的雙杠應該使兩者的彎矩相等，因此有a/l=1/4。

2 講述工程常識，提高學生的設計水平

在工程實際中， 工程師通過工程案例獲得經驗，而對于學習材料力學的學生， 通常缺乏實際經驗，在設計構件截面尺寸時，由于計算錯誤，有時會得到與實際尺寸相差甚遠的結果。 這實際是因為學生對承受多大載荷需要多大截面沒有對應的概念。 因此，學生在學習設計截面例題時，需要將載荷與截面尺寸相對應起來，從而建立起構件承載力的感觀認識。 另外，有的學生在設計截面時不取值，只是給了一個范圍。 在實際設計中，這是無法加工成構件的，因為沒有一個明確的尺寸供加工工人參考。 還有一些同學在設計截面取值時，后面保留了多位小數。 殊不知，小數數位越多，意味著加工精度越高，費用也越貴，有時甚至無法加工出來。

3 充分利用虛擬仿真，使材料力學學習更形象

材料力學理論經典實用，但是有的地方也抽象難懂。 因此，可以借助虛擬仿真，使得材料力學知識點更加形象易懂， 利用有限元軟件計算圓截面桿的拉伸、扭轉和彎曲，通過橫截面應力觀察，可以一目了然地觀察到橫截面的應力分布規律。 有限元軟件還可以顯示桿件的軸力圖、扭矩圖以及彎矩圖。 有限元計算還能驗證材料力學的基本假設和重要結論。 例如，對于橫力彎曲，當跨長與高度之比為l/h≥5 時，其正應力仍然可以利用純彎曲公式。 這可以通過有限元計算不同跨長和高度比的梁， 通過分析結果，驗證該結論的正確性。 另外，也可以用有限元分析帶孔的軸向拉伸桿以及變截面桿的拉伸， 可以從應力云圖中明顯看見應力集中現象： 即構件由于外形的變化，應力急劇增大。

4 建立工程案例庫，提升學生解決問題的能力

要想提高學生的學習興趣，就要保持材料力學理論和工程實踐的緊密結合性。 因此，有必要建立材料力學工程案例庫[5]，通過一些具體的工程案例，運用材料力學的基本理論和計算方法， 解決工程的實際問題。 選用的工程構件有：HZ140TR2 后置旅游車地盤車架、柴油機曲軸、傳動軸、曲柄軸等。 要求學生畫出結構的全部內力圖，標明可能的各危險截面；弄清楚危險截面上各種應力的分布規律圖及由此判定各危險點處的應力狀態圖；求出各危險點的主應力大小及主平面位置，選擇強度理論并建立強度條件。 通過工程案例的分析，大大提高了學生分析問題和解決問題的能力。

5 介紹課外知識，拓寬學生的視野

距材料力學學科創立以來， 科學的發展日新月異，新的材料和新的工程問題不斷出現。 因此，教師授課時有必要介紹一些課外知識， 拓寬一下學生的視野，從而有利于其以后的學習。 材料力學只研究桿件，而構件除了桿件外還有塊體、板殼，這些將在彈性力學中繼續研究；材料力學只研究線彈性，超過線彈性時材料的本構關系將由塑性力學研究；材料力學基本假設中假定構件中的物質連續分布，而實際工程中有時候存在孔洞、缺陷等不連續等現象，這時不能用應力去建立結構的失效條件， 需要用斷裂力學進行分析；材料力學假定材料各向均勻，而隨著科技的發展，復合材料越來越廣泛地運用于工程中，且復合材料屬于各向異性材料， 這時需要用復合材料力學求解；材料力學中交變應力只針對橫幅載荷，而實際工程中多為隨機載荷，隨機載荷作用下構件發生的破壞則由疲勞理論進行研究。