军队院校工程力学教学引入武器装备的案例剖析

陈萍　田爽

【摘  要】基于军队院校的工程力学课程不仅是机械类专业的专业基础课程，理论抽象、应用广泛，同时还需要紧贴专业、紧贴部队、聚焦实战、以能力培养为导向来开展。而将武器装备实例引入到工程力学教学中是一种行之有效的教学方法。本文通过工程力学课程静力学专题中的平面任意力系平衡方程的武器装备实例说明工程力学教学引入武器装备的方法。

【关键词】工程力学;武器装备实例;平面任意力系平衡方程

1.前言

工程力学课程是军队院校相关专业本科学员必修的专业基础课程，是连接基础知识和武器装备知识的纽带，理论紧密联系工程实际，能解决工程实际问题。然而大部分教材所列举的实例是生活或工程实例，与武器装备脱轨，与军队院校教学改革不符。作为军校教员，在教学中需要将抽象的理论知识与实际武器装备紧密结合起来，培养学员将实际问题抽象力学模型的能力，提高学员力学理论应用于武器装备的工程意识，提高学员发现问题、分析问题、解决问题的能力。

2.武器装备实例

刚性炮架火炮结构简图如图1所示。下面运用平面任意力系平衡方程求解出火炮射击时保持静止和稳定所需要满足的条件。

分析：在教学中，首先播放刚性炮架火炮射击时发生不静止性和不稳定问题的视频，引出问题，由案例本身的工程背景吸引学员的注意力，让学员思考如何解决这一问题，使学员的被动学习变为主动学习。其次建立力学模型。《工程力学》教材中大部分的例子和习题给出的结构图是已经简化好了的力学模型，施加在非自由体上的约束大都是常见的标准约束类型，这很容易忽略学员从工程实际的原始问题如何抽象力学模型这个关键环节的训练。而实际上武器装备受到的约束往往并不都是常见的标准约束类型，此时就需要加强抽象力学模型的训练，让学员体会到从实物到力学模型抽象、理论分析的过程。然后，根据刚性炮架火炮的受力情况，列出平面任意力系的平衡方程，分析平衡方程的求解结果得出火炮射击时的静止条件和稳定条件。最后，用实际例子定量分析出刚性炮架火炮笨重、机动性太差，并且提出解决这一问题的措施，在炮身与炮架之间安装反后坐装置。通过这种引入武器装备的案例式教学不仅将工程力学理论与武器装备实际应用紧密结合起来，还激发学员的学习兴趣，让学员在学习中不再觉得是公式的简单套用，而是将工程力学应用化，把实际军事装备问题抽象为力学模型，并解决军事装备实际工程问题。

解答：第一步：取整个刚性炮架火炮为研究对象。第二步：分析受力情况，先是主动力，全炮重力Qz、膛底合力Pt;再是约束力，分析整体的约束力只需要找火炮整体与固定面的接触点处的力，即A、B两点处的约束力。A处是光滑面约束，属于常见的标准约束类型，约束力FNA沿着接触点A公法线且指向受约束体，是一个竖直向上的支持力。而B点处不是常见的标准约束类型，此时需要抽象力学模型。从图1可以看出土壤既限制驻锄水平方向的位移，又限制驻锄竖直向下方向的位移，根据约束力方向与所限制的非自由体位移方向相反，可以得出B处的约束力为一个沿着水平方向的力FTB和一个竖直向上的力FNB。这5个力构成了一个平面任意力系，通过平面任意力系平衡方程求解出约束力。第三步：列平衡方程。平面任意力系有三个独立的平衡方程。

通过这两个条件来设计某型号刚性炮架火炮，已知该火炮的基本参数为膛底合力Pt=1484kN，全炮重力Qz=17.25kN，驻锄支点B到膛线的距离h=0.935m，设土壤所提供的抗力为P=0.45MPa。根据静止条件和稳定条件代入数值计算得出，要想使火炮不向后移动、车轮不离地跳动，就需要1.65m2的驻锄、80m的大架或35t的质量，显然这样子的火炮太笨重、机动性太差。随着火炮威力的增大，剛性炮架火炮的威力与速射性、机动性的矛盾显得非常突出。解决这一矛盾的方法就是在炮身与炮架之间安装反后坐装置，通过它将炮身与炮架弹性地连接起来。把这种带有反后座装置的火炮称为弹性炮架火炮。弹性炮架火炮射击时，炮身相对于炮架作后坐运动，而反后坐装置提供后坐阻力R，R是膛底合力Pt的1/15～1/30。在后坐行程中克服惯性阻力做功消耗大部分后坐动能，小部分被复进机贮存用于使炮身复进到原位。在后坐复进行程中，炮架基本不动，反后座装置起到非常大的缓冲功能，大大减小炮架的受力。如果采用基本参数与上述刚性炮架火炮一致的弹性炮架火炮，计算得出驻锄面积和大架长度均为原来的1/20，加入反后座装置，使得炮架的受力大大减小，大幅度减轻全炮质量，提高发射速度，较好解决火炮威力提高与机动性下降的矛盾。

3结束语

军队院校教育需要以部队需求为牵引而培养人才，坚持把为战教战作为教学的基本任务，工程力学作为一门专业基础课程，军事装备应用广泛，教学过程中需要引入武器装备实例，激发学员学习兴趣，强化学员将实际工程问题抽象为力学模型的训练，使学员对工程力学知识的用途有更深层次的认识，提高工程意识。作为工程力学教员广泛收集武器装备课程中的相关力学问题，提炼出适合工程力学过程的军事装备案例，融入到教学中。

参考文献：

[1]陈颖，陈红迁，潘晶雯，等. 案例式教学在力学课程教学中的探索与实践[J]. 机械设计，2018，35（S2）：360-362.

[2]张淑琴，韩保红，程兆刚，等. 在力学课程中引入武器装备实例的思考[J]. 大学教育，2020，No.121（07）：103-105.