基于应用实例的《船舶结构力学》课程教学研究

2022-08-13赵炳雄张娟严谨

创新创业理论研究与实践 2022年13期

赵炳雄，张娟，严谨

（广东海洋大学，广东湛江 524088）

船舶结构力学是结构力学在船舶与海洋工程结构物应用上衍化而来的学科，一直是船舶与海洋工程专业教学体系中的核心基础课程，以材料力学、理论力学、船舶结构为基础，为船体强度与结构设计、海洋平台强度、船舶振动等课程提供支撑，把基础课和专业课有效地串联起来。船舶结构力学知识也是船舶结构工程师开展结构设计和安全评估的必要基础，是学生走上工作岗位后开展工程项目时的理论和技能基础。通过多年的考核情况及学生反映，《船舶结构力学》课程理论抽象、系统复杂、应用困难。部分学生即使在学习中听懂基础理论和学会教材的例题，但遇到实际的工程问题依然束手无策。在新工科背景下，加强学生解决实际专业问题技能的培养非常必要。工科高校教师在培养学生时不能只是局限于书本知识理论的传授，更要注重培养学生的工程实践能力，以满足社会发展对人才实践和创新能力的需求[1]。工程实践能力是培养创新型工程技术人才的基础，也是面向新形势高校教学工作的重要内容，不仅应体现在各专业的培养方案中，也应在课程教学中有效贯彻[2]。本文通过对《船舶结构力学》课程的教学理念、教学内容和教学方法进行探讨，在教学中更多地引入和剖析工程应用实例，以提高学生应用理论知识解决工程问题的技能。我校船舶与海洋工程专业通过多年的探索，在培养“三能”（能安心、能吃苦、能创业）应用型人才方面已经取得了良好效果[3]。

1 教学理念探讨

在2010年“卓越工程师”、2016年“工程教育认证”和2017年“新工科建设”一系列政策的推动下[4]，船舶与海洋工程专业也开始进行培养方案和课程体系的改革创新，以适应行业发展对船舶与海洋工程师的要求。船舶结构力学作为结构力学的分支，知识理论深厚且内容繁多，在高校教学过程中往往注重知识的传授，忽略了专业技能的提升。相对于传统知识点的单一传授，《船舶结构力学》课程新的教学理念应该要加强结构模型和应用范围的延伸。让学生体会到所学知识的目的是什么以及能解决哪些实际问题，能提高学生的学习积极性、学习效率和专业技能。如图1所示，教学理念应该加强船舶结构力学模型与实际应用结构之间的关联，通过应用实例强化学生对船舶结构知识点和力学模型的理解。应用实例就是用来剖析力学模型和实际结构之间关系的桥梁，有助于解决学生只会做题而不会解决工程问题的难题。

图1 加强应用实例联系的教学理念

2 教学内容探讨

《船舶结构力学》的内容可以总结为采用一定的方法计算船舶与海洋结构物在特定的边界和载荷条件下产生的响应。如图2所示，知识点包括实际结构到力学模型的简化，并采用一定的计算方法对力学模型进行求解，其中实际结构需要考虑其结构属性和载荷条件，力学模型包括力学原理、结构形式和边界条件，计算方法包括力法、位移法、能量法和有限元法。传统的教学方法重点在于把每个知识点单独传授给学生，缺少各个知识点之间的串联。教师授课时不但要讲授力学分析的基本计算方法，更要引导学生认识和掌握船舶与海洋结构物的力学特性，从而分析实际结构在受到载荷作用下如何简化力学模型。教学内容可以结合实际案例和科研项目增强有限元在教学中的应用演示，起到拓展知识和加深学生对理论知识理解的作用[4]。

图2 《船舶结构力学》知识点

引用工程应用实例授课一方面可以加强学生对知识点的理解，另一方面可以有效地把各个知识点融会贯通。以经典的单跨梁知识点为例，授课时应适当分析船舶实际结构，从结构属性、边界条件和载荷条件等方面等效到单跨梁的力学模型，可根据授课进度采用多种计算方法，并与时俱进地多引用有限元计算方法。如图3所示为船舶甲板结构纵骨力学模型的简化过程。考虑纵骨的尺寸小于舱壁和强横梁，可把舱壁与横梁或横梁与横梁之间的甲板纵骨简化成单跨梁模型。模型的跨长即为舱壁与横梁的间距或横梁之间的间距a。甲板上的均布载荷可转化成甲板纵骨平均支撑面积a×b 的线性分布力。因为舱壁和强横梁的刚度远大于甲板纵骨，边界条件可设置为固支和简支约束。通过对简化过程的剖析，有利于加强学生对单跨梁力学模型应用的理解，同时对载荷分布和边界条件有了更具体的工程认识。

图3 甲板纵骨力学模型简化过程

在图3的简化工程中还应该进一步分析实际结构与单跨梁的结构属性。甲板板格承受甲板载荷p 发生弯曲相当于单跨梁AB 承受均布载荷q 发生弯曲。AB梁的截面属性等效于纵骨T120x8/60x10 与宽度b 的甲板带板组成的截面（见图4）。通过力学模型截面属性的简化，非常直观地把实际结构与力学模型的结构属性结合起来，进一步加深学生对梁系结构截面属性的概念理解。

图4 甲板纵骨力学模型截面属性

在阐述实际结构与力学模型之间的关系之后，采用解释法、有限元法和经验法等多种方法求解该力学模型，并比较各种方法的优劣和应用场景。除了传统的弯曲要素法、力法、位移法和能量法之外，应适当增加与时俱进的有限元仿真和与工程应用结合的经验法。相当于在掌握传统理论知识的基础上，利用前沿的分析工具解决实际的工程问题。

在求解过程中，除了给出挠度、转角、剪力和弯矩弯曲四要素结果外，应适当延伸解释四要素的含义。结合实际工程应用，说明挠度、转角、剪力和弯矩对于结构安全设计和校核的意义。结合材料力学，进一步分析该截面属性在最大弯矩和剪力下的应力分布和最大应力值（见图5）。实际工程应用往往更关心导致材料首先失效的最大应力水平。因此，学生也进一步了解到求解梁系力学模型的工程意义。

图5 应用实例计算结果分析

通过一个好的应用实例的内容设计，船舶结构力学的各个知识点能有机地串联起来。使得每个内容都能具体化，便于学生理解掌握。把理论知识与工程实际问题相结合，大大提高了学生对知识点的学习兴趣和运用能力。

3 教学方法探讨

《船舶结构力学》是一门传统的力学课程，为了使教学内容更加形象化，应该与时俱进地运用更多前沿的教学工具。结合应用实例，介绍实际工程经常使用的规范计算方法和有限元分析方法，培养学生工程实践技能。

对于海船设计，船舶结构设计参考的国内规范是中国船级社规范《钢质海船入级规范》[5]的第二篇结构部分。甲板等骨架设计的经验公式来自梁系的力学模型和大量的统计数据。如甲板纵骨的规范要求是剖面模数W 不小于以下计算值。

甲板纵骨的两端简支单跨梁力学模型最大弯矩由弯曲要素表可得。

在满足材料许用应力[σ]情况下，甲板纵骨的剖面模数最小值Wmin计算如下。

在规范默认的材料下，公式（1）的c1为公式（3）的1/8ρg/[σ]，K 则为区别于默认材料系数，这便是规范经验设计公式与船舶结构力学模型存在的关系。

引用规范进行应用实例教学时应该侧重引导学生思考理论与实践的联系，详细介绍课堂上所学的单跨梁的截面属性与弯矩等是如何转化到规范中的经验公式的。一个优秀的结构工程师需要的就是理论知识结合实践应用的能力。如在课堂上增加理论联系实践的思维引导，一方面可以加强学生的工程实践能力，另一方面可以提高学生探索科研的兴趣，鼓励学生进一步深造。

有限元的分析技术已经普遍应用于船舶与海洋工程结构领域，多种软件如ANSYS、PATRAN、ABAQUS 等在船舶与海洋结构物结构分析上应用广泛。基于应用实例的教学方法应与时俱进，在课堂上介绍和演示相关的专业软件。通过操作流程的简单介绍和计算结果的讨论分析，如图6所示能够直观形象地展示力学模型的结构特征、边界条件和应力分布等信息，加深学生对知识点的理解。同时与理论分析的结果进行对比讨论，建立有限元分析参数与理论计算物理量之间的关系，明确有限元分析过程相关参数的物理意义。该方法将有助于提高学生对知识点的理解和对工程软件的认识，为学生以后在实际工程问题中运用有限元软件打下基础[6]。根据对毕业生就业情况的调查，接触过并会使用专业相关软件的学生更受用人单位的青睐，在工作岗位上学习和应用新的工程软件所需时间更短。