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      材料力學教學中的案例設計

      2016-11-16 20:32:08張淑琴程兆剛赫萬恒孟祥鳳張瑩瑩
      大學教育 2016年11期
      關鍵詞:材料力學案例教學

      張淑琴+程兆剛+赫萬恒+孟祥鳳+張瑩瑩

      [摘 要]材料力學是機械類專業(yè)的一門重要技術基礎課程,其問題緊密聯(lián)系工程實際,案例教學是實現(xiàn)材料力學理論指導實踐的有效教學模式。材料力學教學中案例應該具有總體設計思路,具體案例的設計包括案例背景、問題提出、建立模型、原因分析、擴展內容五個步驟。

      [關鍵詞]材料力學;案例;教學

      [中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437(2016)11-0165-03

      材料力學是機械類專業(yè)的一門重要技術基礎課程,主要研究變形體受力后發(fā)生的變形,及由于變形引起的附加內力及應力,和由此而產生的失效。其任務是在滿足強度、剛度和穩(wěn)定性要求的前提下,為設計既安全又經(jīng)濟的構件,提供必要的理論基礎和計算方法。[1]教學中要注重理論和方法的實際應用,因此除了完成基本的直接應用公式求解的教材例題和習題外,需要還原教材上例題或習題的原貌,其中結合實際案例展開教學是有效的途徑,這不僅開闊學員的視野,更重要的是加深基礎理論的理解,掌握理論指導實踐的思路,提高學員運用所學知識發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力,為專業(yè)課程的學習、畢業(yè)綜合設計打好基礎。本文介紹在教學中引入案例時應把握的五個步驟,并選擇武器和生活中的兩個案例進行具體設計。

      一、案例的設計思路

      案例來源于生活、工程、武器裝備等領域[2],教學中主要分為課堂分析案例和課下學員自行分析案例兩類。教員在課堂上展開分析的案例,結合教學內容,分析要全面透徹,引導學員理解各個環(huán)節(jié);請學員分析的案例,要在開課時就給出,讓學員根據(jù)自己的興趣至少選擇一例,帶著問題進入課程的學習,根據(jù)教學進度進行具體分析,到結課時給出自己的分析答案,具體成績計入平時分。

      教學中學員對案例很感興趣,但是要真正進行建模分析時,又會遇到困難而失去積極性,為此教學中選擇好案例后,設計時要逐步推進,每個案例一般要把握好五個步驟,具體如下:

      第一步:案例背景

      通過查閱相關專業(yè)書籍、關注新聞報道,瀏覽網(wǎng)絡資源等途徑,發(fā)現(xiàn)問題整理案例,主要利用文字、圖片、照片、視頻等形式,來闡明案例的發(fā)生及其危害,使學員感到問題的真實性,來激發(fā)學員的興趣點。

      第二步:問題提出

      為了克服由于問題太難而打消學員的積極性,所提問題要由易到難,逐步分層進行。因為提出問題往往比解決問題更重要,也可增加學員自己提出問題的環(huán)節(jié),如感到所給問題有難度,自己可以給出相關的簡單一些的問題;也可給出所提問題分析后,提出其他相關題目,供大家探討分析,若所提問題很好要給予鼓勵,計入平時分??傊瑔栴}的設計是要學員從一個案例的分析中理解多一些、全一些。

      第三步:建立模型

      分析案例的特點和問題的要點,抓住主要因素,忽略次要因素,畫出力學簡圖,將問題和所學理論建立聯(lián)系,應用相關知識、公式、方法,進行理論分析或計算。

      第四步:分析原因

      由理論分析結果定性分析案例問題發(fā)生的可能原因,提出避免事故發(fā)生、設計或使用維護時應該采取的措施。

      第五步:擴展內容

      提供相關的擴展閱讀內容,或者提出深層次的問題等等,供學員進一步深入思考或探索,目的是培養(yǎng)學員的問題意識,逐步養(yǎng)成發(fā)現(xiàn)新問題,提出新想法的思維習慣。

      二、案例:空調外機支架的安全性分析

      (一)案例背景

      據(jù)了解,我國第一波空調安裝高峰期大約在20世紀90年代中后期,2000年開始在城市全面普及。空調及外機的安全使用年限約為10年,支架一般在5-6年后就應更換,而現(xiàn)實情況卻令人擔憂。幾乎每年都有空調支架出現(xiàn)問題的報道。

      2002年12月12日,湖南省邵陽市……;2008年6月10日晚,福州平潭……;2014年7月,因空調支撐架斷裂,一維修工人在上海某小區(qū)維修空調時從3樓墜亡!圖1是出現(xiàn)問題的某空調支架。

      (二)問題提出

      1.常見空調支架如圖2,根據(jù)空調及支架的受力情況,簡化力學模型,分析支架橫梁和立柱連接螺釘?shù)膽Α?/p>

      2.從圖3上不難看出,在高高懸起的支架上,隨著時間的推移,用來固定空調室外機的支架與墻面不能完全貼合,并且連接墻面的螺釘也發(fā)生彎曲變形。(1)試簡化模型分析圖片中螺釘?shù)膽?(2)提出安裝空調外機及支架的合理建議。

      (三)建立模型

      問題1的模型如圖4(a),設三個螺釘?shù)闹睆骄鶠閐。

      將載荷向螺釘群截面形心簡化為一個力F′和一個力偶M,其中M=Fl。

      力F′由三個螺釘平均分擔,各螺釘承受的豎向剪力均為Fa1=Fb1=Fc1=。

      力偶M使三個螺釘產生切向剪力,由直角三角形各邊的比例關系和力矩的靜力學關系,可解得各螺釘?shù)那邢蚣袅Ψ謩e為Fa2=Fc2=,F(xiàn)b2=0,方向如圖4(b)。

      各螺釘?shù)目偧袅Ψ謩e為:Fa=Fc=,F(xiàn)b=,剪力方向如圖4(b)。顯然最上和最下螺釘?shù)募袅ψ畲?,其切應力也最大?/p>

      問題2的模型如圖5,兩個螺釘將支架的立柱與墻體連接。

      兩個螺釘內為拉應力,下側支架立柱與墻體之間產生壓應力,設受壓長度為x,若下部有螺釘,螺釘也不受力,所以實際立柱上有孔也不安裝螺釘。假設單個螺釘上的受力均勻,螺釘群應力分布為直線規(guī)律,如圖5,中性軸處應力為0。

      設螺釘?shù)臋M截面面積為A,按應力分布假設可知,中性軸以下沒有螺釘。

      上側螺釘?shù)睦瓚ψ畲螅瑸椋?/p>

      其中M是空調重量引起的力矩。

      支架立柱與墻體的最大壓應力在下邊緣,為:

      (四)分析原因

      問題1的理論分析告訴我們,若是間距相同的三個螺釘,其中最上和最下螺釘?shù)那袘ψ畲螅敲次kU性也就最大。為避免事故發(fā)生,一定要選擇符合要求的螺釘,按要求安裝足夠的螺釘個數(shù)。

      問題2的理論分析告訴我們,支架立柱與墻體間的螺釘中最上邊的螺釘受力最大,因此看到最上邊的螺釘比下邊的螺釘松動的要嚴重。

      實際中由于空調支架在室外,若是鐵架或不合格產品,時間長了容易生銹,這也是造成空調支架斷裂的原因之一。

      (五)擴展內容

      1.為什么有的空調支架上在中間部位可以挖有圓孔,如圖6,圓孔的大小應滿足什么條件?

      2.推薦電視臺關于“舊空調支架牢不牢”的實驗視頻,或電視臺制作的關于“空調外機支架安全嗎?”節(jié)目,供學員觀看,進一步了解支架的安全情況。

      3.實際生活中,如何做才能避免“禍從天降”呢?

      2012年4月19日,中國家電服務維修協(xié)會發(fā)布了《空調器室外機安裝用支架規(guī)范》。其中對空調外機支架的厚度、防銹度、緊固件規(guī)范以及支架檢測規(guī)范都做出了具體規(guī)定,如支架使用的材料必須是3毫米以上的角鋼或鍍鋅鋼板、空調支架的承載能力不能低于空調器機組自重的4倍,并明確指出,支架使用壽命不得低于空調本身的使用壽命,即10-12年?!?/p>

      三、結語

      案例教學是將理論用于實踐的有效教學模式,案例的選擇是長期性的工作,案例的編寫設計是保證教學效果的關鍵,必須要注意由淺入深,挖掘問題內涵,逐步建模分析得出案例的可能原因。另外案例的完成需要教員的努力,更需要學員的參與,相信經(jīng)過師生的共同探索、研討、完善,會建成豐富的材料力學案例庫,材料力學的案例教學會將材料力學的教學改革推向深入。

      [ 參 考 文 獻 ]

      [1] 劉鴻文.材料力學第5版[M].北京:高等教育出版社,2011:1.

      [2] 張淑琴,馬英忱,閆石,等.材料力學課程案例教學的研究[J].大學教育,2015(12):159-160.

      [責任編輯:張 雷]

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