“新工科”背景下结构设计与实践课程的改进

刘玉岚, 彭齐驭

(中山大学 工学院, 广州 广东 510006)

近年来随着我国经济发展,以及互联网、大数据、人工智能等新技术的出现,传统工科教学已经不能满足需要,国家开始大力发展和探索“新工科”。“新工科”主要指近年出现的新技术与专业交叉融合产生的新兴专业,以及对传统工科的升级改进,进一步提高人才培养的实践性与创新性[1-2]。

实践教学、信息化教学等新兴教学理念早在几年前便引起了广泛的讨论和实践[3-6]。相关学者提出了与工程实践相结合、教学手段多样化、培养学生的计算能力及表达能力的想法[7-9]；不少课程已在实践探索中, 使用微博或微信支持线下的课程学习[10-11]以及使用虚拟模拟软件的力学教学[12]。但在实际教学过程中,引导学生自主创新,提高理论应用和实践能力,还需要进一步地完善与成熟。

1 教学设计思路

结构设计与实践教学是参照力学结构大赛的形式,让学生通过软件模拟设计，并实际制作承重模型结构,加强学生的理论应用和实践动手能力。国内外的结构大赛以其趣味性和专业性吸引了广大学生的积极参与[13],而本课程也以其趣味的形式和科学严谨的流程,吸引了较上次课程更多学生的参与。

本次课程为第三次开设。在上年的课程当中,设置了微信信息平台,提高了学生信息交流、教学反馈和学习兴趣。而本次课程,除了保留原有的材料强度测试、微信信息平台等部分[14],增加了制作模型实验桥的环节,使得在数值模拟的结果得到实际检验,并对计算所不能考虑的实际因素进行补充,完成整个结构的优化和升级。

而在软件模拟的教学过程中,不同于上次课程的基本操作介绍,这次以实际结构比赛的模型为例子,教授学生如何选择基本结构类型,确定结构的布置,细节改进等优化问题。

在杆件测试中,还鼓励学生根据设计方案对特定规格杆件进行相应测试,以符合实际需求。

2 教学设计要求

结构设计的题目是使用最少量的意粉设计并制作一个桥梁模型。要求桥梁跨度不得小于600 mm,宽度不得超过100 mm,高度在100 mm到150 mm范围内。加载时在桥梁中间放置一块宽100 mm的木板。并把砝码置于木板之上进行竖向加载。标准加载上限为6 kg,极限加载没有上限。要求分小组合作完成模型设计和制作,每组约5人。并提交相应的结构分析计算书和展示PPT。

本次课程的评分制度有所更改,加载成绩仍由荷质比计算,但设计书分值占比提高到总成绩的50%,增设加载极限预测误差的占分项。主要是鼓励学生更多地体会设计改进的意义和过程,而非单纯关注结构承重结果,真正运用所学知识到实践中。

3 教学设计过程

3.1 设计教学、杆件制作与线上信息交流

通过PPT讲解基本的结构设计原理和力学理论的应用[15-16],以及现场演示杆件制作和亲身实践,大多数学生很快掌握了意粉桥设计的理论与实践基础。后续的信息共享和问题反馈也在微信平台得到解决。

3.2 软件数值模拟与设计

本次数值模拟教学采用SAP2000分析软件,与上次课程不同,除了基本操作外,还分为选择基本结构类型和结构优化2方面来讲解结构设计分析。

3.2.1 选择基本结构类型

基本结构类型有许多,根据后面材料强度测试中杆件抗拉不抗压的性能,主要遵循在满足形变要求的情况下,更多地使用受拉杆件的原则,以及考虑结构耗材量和结构复杂度是否手工允许等。

3.2.2 结构优化

最终结构的确定还要考虑结构的具体方案,需要考虑如桁架的布置,杆件的长度、粗细和拼接角度等。而软件模拟恰恰使得学生不需要耗费精力去实际制作,就能得到不同方案的优劣比较参考。

3.3 材料强度实验

本次教学主要测试意粉杆件的抗拉、抗压和抗弯强度。

3.3.1 抗拉强度实验

测试杆件每小组至少要测试3组不同截面形状和尺寸的意粉杆件,由仪器夹持加载测试,自动读取示数。同种尺寸杆件一般要测试3根。测得杆件平均每根抗拉强度,根据不同截面在20～40 N。

在本次材料强度实验中,更加鼓励学生根据作品设计需求,额外测试特定规格的杆件强度。而实际由于桥梁跨度大于单根意粉长度,其中的长杆件需要拼接处理,这就需要考虑实际不同拼接方法后的实际杆件强度。

3.3.2 抗压强度实验

抗压实验由测试钢片拉伸强度的装置改装。通过应变仪记录荷载示数。测试杆件长度至少包括10 cm和15 cm 两种规格。与上次课程不同,本次课程各小组还要求测试20 cm杆件的抗压能力(由于仪器限制,无法测试过长压杆),同时鼓励根据设计需求测试不同长度的杆件强度。

事实表明,这种测试非常有必要。根据学生测得的数据(见表1),同等截面杆件长度由15 cm变成20 cm,平均单根意粉抗压能力下降了约50%。

由表1也可以看出,不同截面同样长度杆件的平均每根抗压能力也不同。在同样长度下,3×3截面平均单根意粉抗压强度是2×3截面的2倍左右。

表1 意粉杆件抗压强度实验结果

3.3.3 抗弯强度实验

测试一定跨度下杆件三点弯曲的抗弯强度。通过测试不同截面的杆件,获得不同截面杆件的抗弯强度,以考虑在计算所得应力下,所选杆件是否能承受弯矩。

3.4 模型结构实验

模型实验为本次课程新增内容。由于在实际结构中,有许多计算所不能模拟或无法考虑的因素,因而需要通过实际结构模型进行实验。

3.4.1 结构稳定性

显然,对于压杆失稳的问题,是软件模拟所不能得到的。如果说单根长细杆在失稳限制下的极限强度可以由杆件测试获得,那整体结构的稳定和扭转等问题就必须通过实际实验得到。因为不同杆件粗细,角度和维持稳定的杆件多少,都有可能导致结构破坏的不同。

第二组在桥梁正面梯形中位线处添加辅助杆件以防止梯形两腰压杆失稳。而在实际实验情况下,承载力的确有所提升,但会出现另一个问题。如图1所示,由于桥梁正面添加维稳杆件后,上下几何形状仍为梯形,整体几何稳定性不足,最终四边形失稳受到破坏。这也是在立体结构中软件所不能定量模拟的整体结构的稳定问题。

图1 桥梁失稳破坏

3.4.2 复杂应力状态

由于实际结构在加载过程中是受到拉压、弯曲、剪力等同时作用,而单向拉压等简单强度实验并不能完全模拟实际情况。虽然杆件结构以轴力为主,但在局部有可能受到较大弯矩或剪力的影响,需要通过实际模型加载验证。

第五组在制作实验桥梁时,一方面由于仪器限制,尚未测试所有规格杆件的强度,另一方面在复杂应力环境下,制作出相对保守的模型。而经过实际加载后表明,压杆和拉杆都未充分利用。因而最终作品减少了压杆和拉杆的用料,作品达到标准满载的同时,减轻了重量,提高了荷质比。

3.4.3 实际制作因素

在实际制作过程中,还必须考虑手工误差、拼装方式和细节处理等问题。

在第三组的实验加载过程中,小组成员发现结构最终破坏位置为顶部横杆和斜杆的连接处。原因是斜杆与横杆的接触面积小,且难以完全贴合,锚固程度小于杆件抗压和抗弯能力,从而受到破坏。因此小组成员在之后对接触位置进行打磨贴合以及贴片处理,增大锚固强度,在最终加载中以非节点破坏完成。

4 教学设计结果

4.1 最终加载结果

表2为本次课程最终加载结果。值得一提的是,对比上次课程的加载结果(如表3),可以看到,本次课程所有组别的标准荷质比都要比上次课程的要高,平均成绩提高42%。说明本次加入的结构模型实验环节在较大程度上弥补了计算模拟的不足和更多考虑了实际因素带来的影响,不但提高了学生作品的成绩,而且充分让学生体会到实际操作与理论的不同与联系,提高了学生的理论应用和动手实践能力。另外,补充说明,极限荷质比较小是由于较多根意粉黏合的单位面积强度要比较少意粉的杆件要高,从杆件强度测试数据可以看出。

表2 本次课程各组加载结果

表3 上次课程各组加载结果

4.2 结果分析

各组模型见图2,从左至右依次为第一、二、三、四、五组。

图2 最终各组加载模型

经过实验模型桥后,各小组都对自己的结构有了相当的了解并弥补了各自的缺陷。

除了第四组由于时间问题未来得及完成实验桥,导致桥梁过重,其他小组标准荷质比都较好。

第二和第三小组在实验模型桥当中都由于侧面压杆失稳破坏,而底部拉带未充分利用。因而在最终加载中减少了拉带的材料,因而最终加载值较小。

第五组在舍弃了较复杂的桁架结构后,并通过模型桥实验确定了适当的杆件规格,最终得到不错的成绩。

5 教学成果亮点与不足

5.1 较完善的理论与实践结合的结构设计流程

在原有软件数值模拟、材料强度测试的基础上,加上模型加载实验,弥补了理论计算所未考虑的实际因素,进一步完善了结构设计的流程。这样不但优化了学生的设计方案,还培养了学生理论与实践相结合的研究。

5.2 较深入的软件模拟分析与创新教学

本次数值模拟软件教学除了基本的结构应力分析外,还进行了特别教学结构基本类型的比较以及具体结构优化的问题,引导和鼓励学生对不同结构方案进行优化,激发学生的思考分析和设计创新能力。

5.3 激发学生的兴趣与热情

意粉桥承重的考查方式提高了学生的兴趣,本次课程吸引了更多的学生参与,同时使得各小组内互相协作与讨论热烈,激发了学生自主学习和创新意识。

5.4 充分锻炼学生的手动实践能力

通过实践操作,较大提高了学生的动手实践能力。各小组自行摸索出模具杆件制作法、图纸拼装法、尺规拼装法等实际模型制作方法。不但将理论应用于实践,更加在实践中找到实施的有效方式,促进学生向具备理论知识与实践能力双方面的综合型人才发展。

5.5 信息共享与互动平台

本次课程同样设置了微信资源信息共享平台。通过发放课程动态,在线讨论和课程反馈,不但及时调整课程安排,还激发了学生的兴趣和灵感,以及拉近了师生关系。

5.6 测试仪器限制

由于实验仪器并非专业用于意粉强度测试,因而在精度和尺寸上会有所限制。如有部分小组因为杆件两端未能很好夹持而无法进行特定杆件抗拉性能的测试。而在抗压测试时较难使意粉完全垂直于加载面。

5.7 结构设计指导仍可提升

学生设计的结构基本框架仍然偏相似,说明不同结构的讲解和引导仍然不足。可以看到,虽然小组在设计中有过桁架结构等方案,最终偏向于更稳定的梯形拱桥方案。一方面可能由于同样的题目,对师兄师姐的经验有所借鉴。另一方面可以加强对不同结构类型的视野拓宽,以及更多鼓励学生进行不同的尝试与创新。

6 结论

本次结构设计与实践课程中,有趣的意粉桥设计形式激发了学生较高的热情和创造性。而数值模拟与实际实验相结合的科学流程,还培养了学生的良好科学素养和科研习惯。整体设计与制作过程中还锻炼了学生的理论应用,手动实践,信息交流和团队合作能力。

在改进的软件数值模拟教学过程中,学生不但学会了基本的结构受力分析,还通过比较不同方案,优化设计和模拟解决实际问题,促进了学生的自主思考、设计能力和创新意识。

而在新增的模型结构实验环节,学生更能学会考虑更多实际因素,提高了理论应用和实践动手能力。实际最终模型加载荷质比相对上次课程平均提高42%。

课程仍有如测试仪器限制等缺点,但整体效果良好,值得继续完善和推广。