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提高材料力學(xué)教學(xué)質(zhì)量的探討論文

時(shí)間:2024-08-14 14:40:49 材料畢業(yè)論文 我要投稿
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  材料力學(xué)是工科專(zhuān)業(yè)非常重要的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎課,也是構成專(zhuān)業(yè)課程的基礎性平臺課,對學(xué)生后續學(xué)習專(zhuān)業(yè)課程起著(zhù)非常重要的作用。材料力學(xué)是研究材料在各種外力的作用下產(chǎn)生的應力、應變、強度、剛度、穩定性和導致材料破壞的原因。目前,我校材料力學(xué)教學(xué)主要存在以下問(wèn)題:教學(xué)方法死板,缺乏靈活性;批改作業(yè)方法不科學(xué);學(xué)生的積極性不高,上課氣氛不活躍;學(xué)生對類(lèi)似的公式容易混淆等。材料力學(xué)與工程實(shí)際緊密結合,實(shí)用性強,同時(shí)課程中的概念較為抽象,理論性強。進(jìn)行材料力學(xué)教學(xué)方法的探討,有利于提高教學(xué)質(zhì)量,有利于培養學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

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  1利用校園里的材料力學(xué)實(shí)例進(jìn)行教學(xué)

  1.1 粉筆

  粉筆主要用在課堂教學(xué),已進(jìn)入高校的大學(xué)生對于粉筆并不陌生。但真正了解粉筆力學(xué)性能的又有多少學(xué)生呢?教師在講解拉伸壓縮、扭轉時(shí),可以引用粉筆作為例子。粉筆是脆性材料的典型,對于脆性材料,在拉伸力較小的情況下就被拉斷,沒(méi)有屈服現象和縮頸現象,斷裂前線(xiàn)應變和伸長(cháng)率也很小。與塑性材料相比,脆性材料拉伸力學(xué)性能最大特點(diǎn)就是斷裂前幾乎沒(méi)有塑性變形。教師在講脆性材料拉伸力學(xué)性能時(shí),可以拿根粉筆給其中一名學(xué)生,讓學(xué)生在課堂上做一個(gè)簡(jiǎn)單的拉伸實(shí)驗,最終的拉伸結果如圖1所示。

  在講脆性材料扭轉時(shí),多數學(xué)生無(wú)法理解為什么斷裂面為45°的螺旋面。教師還可以引用粉筆作為例子。最終,粉筆扭轉結果如圖2所示。取粉筆最前面素線(xiàn)上的任一點(diǎn),其應力狀態(tài)如圖3a所示,為純剪切單元體,其中0σσxy==,xyττ=,代入最大及最小正應力計算公式,得:

  2max2min22xyxyxyσσσσσττσ?+=±+=±

  02tan2xyxyτασσ==∞

  所以02α=-90°或-270°,即α0=-45°或-135°。以上求解過(guò)程表明,從x軸起,因σσxy=,故-45°(x軸順時(shí)針旋轉)確定主平面上的主應力為σmax,即σ1,故得主單元體如圖3b所示。

  由圖3b可知,在純剪切應力狀態(tài)下,σστ13==,2σ=0,其中σ1為拉應力,σ3為壓應力。此時(shí),粉筆表面上各點(diǎn)的σ1所在的主平面連成傾角為45°方向的螺旋面。由于脆性材料抗拉強度較低,所以脆性材料在扭轉時(shí)的螺旋面是由最大拉應力σ1而引起斷裂破壞的。

  1.2 紙張

  紙是我國的四大發(fā)明之一,為文化傳播立下了非常卓著(zhù)的功勛,煥發(fā)著(zhù)自己獨特的光彩,紙張又和材料力學(xué)有什么關(guān)系呢?

  選擇合理的截面形狀可以提高壓桿的穩定性。從壓桿穩定的歐拉公式可知,截面慣性矩I越大,臨界壓力Fcr也越大。取一張A4紙,讓其在平穩的桌面上站立是無(wú)法實(shí)現的。如果把A4紙卷成一圓筒,則很容易實(shí)現紙張站立。原因在于材料遠離截面形心,慣性矩I增大,提高了壓桿的臨界壓力。

  但此時(shí)應提到,也不能為了取得較大的慣性矩I,就無(wú)限制的增加圓環(huán)的直徑而減小其厚度,這將使壁厚變薄而引發(fā)局部失穩,發(fā)生局部折皺現象。如:用力踩易拉罐。

  引用一些可以在教室直接做實(shí)驗的材料力學(xué)實(shí)例,可以激發(fā)學(xué)生對材料力學(xué)的學(xué)習興趣,加強理解,提升學(xué)生的學(xué)習效果。

  2列舉古今中外與材料力學(xué)有關(guān)的趣事和實(shí)例輔助教學(xué)

  建于隋朝年間的趙州橋橫跨洨河南北兩岸,是當今世界上現存最早保存最完整的古代敞肩石拱橋,其充分利用了石料的抗壓縮強度。

  大家都知道,“泰坦尼克號沉船”事件是人類(lèi)歷史上最悲痛的海難之一。沉船的真正原因是泰坦尼克號當時(shí)航行速度已經(jīng)大大超出了夜間海面安全航行的最大速度,船的速度和船體的質(zhì)量形成巨大的動(dòng)能,使船體與冰山相撞產(chǎn)生極大的沖擊力,并在碰撞處產(chǎn)生巨大的局部應力。

  另外,船體上鋼板與鉚釘質(zhì)量差也是可能導致海難的又一原因。根據資料顯示,船體并不是正面撞在冰山上,而是側面與船體相擦,側舷船殼鋼板受到極大的擠壓應力和剪應力,而船殼上的鋼板是通過(guò)鉚釘進(jìn)行連接的。調查發(fā)現,泰坦尼克號所用鉚釘的材料力學(xué)性能實(shí)驗是在室內常溫下進(jìn)行的,而這些鉚釘在低溫下的破壞應力要遠低于室內的應力,致使船殼破裂,船身進(jìn)水,最終沉入海底。

  3應用ANSYS軟件進(jìn)行教學(xué)

  ANSYS軟件是美國ANSYS公司開(kāi)發(fā)的大型有限元分析軟件,是世界范圍內增長(cháng)最快的計算機輔助工程軟件。目前,我國有百余所理工類(lèi)院校采用ANSYS進(jìn)行有限元分析或作為標準教學(xué)軟件。應用ANSYS軟件可求解外載荷引起的位移、應力和力。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線(xiàn)性分析,也可以進(jìn)行非線(xiàn)性分析,如:塑性、大變形、大應變及接觸分析等。

  拉伸壓縮、扭轉、彎曲的應力和內力、壓桿穩定等知識都是材料力學(xué)課程的重點(diǎn)內容。這些重點(diǎn)內容可通過(guò)ANSYS進(jìn)行分析,得到應力、應變和內力等的相關(guān)數據、動(dòng)畫(huà)或云圖。在對重點(diǎn)知識進(jìn)行講解時(shí),通過(guò)ANSYS進(jìn)行分析,并與計算所得的理論結果進(jìn)行對比驗證,鞏固學(xué)生對重點(diǎn)知識的掌握。

  以軸向拉伸時(shí)的軸力圖為例。在工程結構中,桿件發(fā)生軸向的拉伸是非常常見(jiàn)的。軸向拉壓的受力特點(diǎn):作用于桿件上的外力合力的作用線(xiàn)與桿件軸線(xiàn)重合,桿件變形是沿軸線(xiàn)方向伸長(cháng)或縮短。以如圖4所示的軸為例,試用ANSYS軟件繪制其軸力圖。建立軸的有限元模型(如圖5所示);添加力繪制軸力圖(如圖6所示)。

  從圖6中可知,AB段上軸力為紅色區域,軸力為6000N,為拉力;BC段上的軸力為藍色區域,軸力為-12000N,為壓力;CD段上的軸力為綠色區域,軸力為-4000N,為壓力。

  理論計算:由平衡方程1234FFFF++=0知,3FkN=83FkN=8。

  在A(yíng)B段上取截面1-1,由左段列出平衡方程110FF=N知,116FFkNN==3FkN=8,即AB段橫截面上的軸力為66kNkN。

  同理,212FkNN=,34FkNN=,可見(jiàn)通過(guò)ANSYS分析所得軸力與理論計算值一致。

  利用ANSYS軟件把抽象的數據轉換為形象生動(dòng)的圖形,提高學(xué)生分析數據的能力,增強學(xué)生對結構的感性認識及工程概念。借助有限元軟件的教學(xué)方法也可以拓寬學(xué)生的眼界,讓學(xué)生初步了解現代的計算方法。

  4作業(yè)批改

  作業(yè)批改是教學(xué)工作中不可忽視的一項重要內容,與整個(gè)教學(xué)活動(dòng)密不可分[10]。而真正的實(shí)踐過(guò)程中,許多教師只重視作業(yè)布置,而忽視作業(yè)的批改。在對教師作業(yè)批改情況的調查中發(fā)現,部分教師在批改作業(yè)時(shí)只是用紅筆在作業(yè)本上劃對錯號,這樣做不僅不利于學(xué)生的學(xué)習,也不利于自身教學(xué)水平的提高。

  作業(yè)的重要性不言而喻。教師可以通過(guò)學(xué)生的作業(yè)及時(shí)了解學(xué)生掌握知識的情況,在課堂的講解中,重點(diǎn)講解學(xué)生作業(yè)中易錯和學(xué)生不會(huì )的知識點(diǎn),讓學(xué)生更進(jìn)一步的掌握知識點(diǎn)。批改作業(yè)的過(guò)程中,還可以發(fā)現更多不同的解法和解釋?zhuān)瑥亩l(fā)散思維,并將這中思維帶到教學(xué)中,啟發(fā)學(xué)生,教學(xué)相長(cháng)。

  筆者所在學(xué)校材料力學(xué)理論課程總學(xué)時(shí)為64學(xué)時(shí),共32次課,每上一次理論課,都會(huì )留給學(xué)生1~2道作業(yè)題。設定某年級機械設計制造及其自動(dòng)化本科某班共32名學(xué)生,每2名學(xué)生一組。作業(yè)批改時(shí),筆者隨機抽取10本作業(yè)由教師批改,剩余的22本筆者指定某組的2名學(xué)生(相當于教師的小助手)負責批改,并對作業(yè)進(jìn)行記錄,并分別挑出2本較好和較差的作業(yè),進(jìn)行拍照。學(xué)生在批改作業(yè)前,教師要把作業(yè)題對這兩名學(xué)生做詳細的講解。下次課時(shí),筆者在課堂上會(huì )面向全班同學(xué)講解上次作業(yè)的批改情況,并用PPT展示較好和較差作業(yè)的照片。同時(shí)課后答疑由批改作業(yè)的兩名學(xué)生負責,若學(xué)生無(wú)法解答的問(wèn)題,由筆者進(jìn)行答疑。通過(guò)這幾年的實(shí)踐摸索,這種做法取得了不錯的效果,及格率大幅提升,學(xué)生的積極性也得到了充分的調動(dòng),教師和學(xué)生共同受益。

  5及時(shí)歸納總結

  材料力學(xué)課程的公式特別多,筆者在講課過(guò)程中要求學(xué)生要理解公式的推導過(guò)程,在理解推導過(guò)程的基礎上,掌握并記住公式。材料力學(xué)課程中的很多公式相差不多,特別容易混淆,所以筆者在講課的過(guò)程中及時(shí)歸納總結。如圓軸扭轉和彎曲變形時(shí)的極慣性矩、慣性矩和抗扭截面系數、抗彎截面系數。這幾個(gè)公式特別相似,只是在數字上稍有不同(見(jiàn)表1)。

  6結束語(yǔ)

  材料力學(xué)是工科專(zhuān)業(yè)開(kāi)設的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎課程,也是一門(mén)為設計工程實(shí)際構件提供必要理論基礎的重要技術(shù)課程,因此研究材料力學(xué)教學(xué)方法改革有非常重要的意義。筆者從校園里的材料力學(xué)實(shí)例、古今中外與材料力學(xué)有關(guān)的趣事與實(shí)例、借助ANSYS軟件、作業(yè)批改、及時(shí)歸納總結五方面探討材料力學(xué)教學(xué)方法的改革。通過(guò)多年的實(shí)踐,發(fā)現筆者提出的教學(xué)方法對提高學(xué)生學(xué)習材料力學(xué)興趣,提高教師自身教學(xué)水平有較大的作用。人類(lèi)社會(huì )在不斷的發(fā)展中,材料力學(xué)的教學(xué)改革也需要在不斷的實(shí)踐中根據學(xué)生的發(fā)展不斷調整和摸索,因此材料力學(xué)教學(xué)改革是一項長(cháng)期的任務(wù)。

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