结合船舶与海洋工程专业特点的“结构动力学”课程教学

张大朋，严谨

(广东海洋大学船舶与海运学院，广东湛江 524088)

作为结构振动理论在结构工程中的具体应用，结构动力学与振动理论的研究是同时进行的。该领域的早期比较有影响力的著作是德国的K.Hohennemser和W.Prager在1933年编写的《结构动力学》。近几十年以来，结构动力学发生了深刻的变化，形成了应用领域十分广泛的现代结构动力学。同时，“结构动力学”是各大理工科高等院校在研究涉及工程振动问题时重要专业核心课程，该课程在传统力学、航空与航天、土木建筑、交通航海等大类专业中得到广泛应用，课程的名字一般用“结构动力学”[1-5]。有些偏于学术科研型的高校，甚至将该课程称作振动力学[6-10]。事实上，在一些力学强校该课程被称作“振动力学”，在机械、能源动力等专业中一般称为“机械振动”。

该课程与“振动力学”和“机械振动”的相同之处在于，都是研究系统的振动；不同之处在于，“振动力学”偏于从力学的角度对振动现象展开机理性的分析；“机械振动”则偏于从机械的角度来对振动现象进行解读并对工程振动问题进行理论建模及分析，定量或定性地认识工程结构振动运动规律，解释振动现象，掌握振动控制的基本原理，能掌握工程结构动力学优化设计、故障分析与诊断、振动控制产品研发所必需的理论基础；而“结构动力学”则是从具体的大类工科工程背景出发，来对一些土木建筑、钢结构、悬索桥的振动进行工程上的对比优化和参数设计与分析。因此，对于不同的专业，该课程的侧重点是不同的。

具体到船舶与海洋工程专业来说，船舶与海洋工程中涉及到大量的水面船舶电子海洋平台、海洋管线、拖曳缆索、托管架、导管架、海洋风机、深水网箱等，在复杂海洋载荷风浪流等的联合作用下，这些海洋工程结构物都会发生较为复杂的动力学特性响应。因此，要对这些海洋结构物进行设计与分析，我们必须要针对船舶与海洋工程专业的特点，并将船舶与海洋工程专业的实际工程情形和“结构动力学”课程中的相关内容进行深度结合，从专业背景出发，来展现“结构动力学”在船舶与海洋工程专业中的实际应用，进而提高学生学以致用的能力，最终达到提高学生创新能力的目的。

一、当前“结构动力学”教材的特点、种类与教学现状

（一）当前“结构动力学”教材的特点、种类

不同于传统的静力学，“结构动力学”课程对于数学和力学的基础要求较高，在上该门课程之前，学生应该已经学习了“理论力学”“材料力学”和“高等数学”课程中的微积分与线性代数与常微分方程。只有在此基础上，才能展开“结构动力学”课程的教学。

“结构动力学”课程的经典教材是美国的克拉夫和澎津编著的《结构动力学》，该教材经中国的王光远等人翻译后由高等教育出版社印刷出版，并作为教材面向工科大类专业的研究生和博士生使用。该书最初是美国加利福尼亚大学（伯克利分校）面向研究生的结构动力学的基本教材，主要是为土木工程专业培养研究型人才，尤其是针对地震方面的结构响应。由于该书理论性较强，对于基础不好的初学者来说，存在一定的难度，因此需要教师在全书的学习过程中引导教学。

2007年，马乐为和徐赵东在他们多年从事结构动力学的教学及研究工作的基础上撰写了一部《结构动力学》。作者在该书中介绍了基本概念和基础理论，也介绍了结构动力学领域的若干前沿研究课题。该书既注重读者对基本知识的掌握，也注重读者对结构振动领域研究发展方向的掌握。虽然也是面向工程大类的学生，但明显比克拉夫和澎津编著的《结构动力学》更容易让人理解。

2015年于开平和邹经湘编著的《结构动力学》，讲述了结构动力学领域的主要内容及最新科学技术成果，涵盖了线性假设下的结构动力学正反两方面的主要问题，同时还简单介绍了非线性振动问题。该教材配有对应的辅助教学程序，便于学生进行自学和实际工程应用。

在机械与力学方面，结构动力学的教材，有早期季文美、方同等人编著、科学出版社出版的《机械振动》。李欣业、张明路在2015年联合清华大学出版社出版了一本以介绍机械振动的基本理论与应用为基本风格，强调计算机技术与传统理论分析的融合的《机械振动》。

除此之外，针对海洋工程专业，国内也有相关的专业教材，对此下文将展开详细论述。

（二）广东海洋大学船舶与海洋工程专业当前“结构动力学”课程的教学现状

广东海洋大学船舶与海洋工程专业目前还未开设“结构动力学”方面的课程，这一方面是由于长久以来广东海洋大学没有专门的力学系，导致各个方向的专业课分配到各个方向的老师教学；另一方面，由于广东海洋大学是一所地方院校，且地处粤西，地理位置不占优势，导致所招收的生源整体上数学和物理基础比较薄弱。笔者曾经对本专业的学生做过调研，发现大多数高考数学分数都没有超过100分。这样的数学功底，在讲解“结构动力学”课程时如果一味地强调数学公式的推导，将不可避免地导致学生对该课程学习兴趣和积极性的丧失。

随着广东海洋大学的不断发展，船舶与海洋工程专业于今年获批教育部一级硕士点及土木水利方向专硕点，本科专业获批国家一流本科建设点。站在新的历史起点，广东海洋大学对船舶与海洋工程专业的培养体系进行了修改。在新的专业培养体系中，“结构动力学”课程将于2022年下半年开课。

二、“结构动力学”课程与船舶与海洋工程专业的结合点

（一）船舶与海洋工程专业中涉及的“结构动力学”知识概念与融合

“结构动力学”课程作为工科大类课程，其中所包括的基础知识、基本定义与船舶与海洋工程专业中的相关内容高度重合。

船舶与海洋工程中的船舶鱼尾摆动现象、海豚运动、马修效应等，这些都是典型的结构动力学问题。而在海洋细长挠性构件中，海洋管线的涡激振动、束流管道的顺流舞动与驰振和颤振、海洋平台张腿的弹振和鸣振，以及跨海大桥、海洋拖缆与高架索的大幅度振动等，都与“结构动力学”的非线性方面的内容密切相关，且基本上也都与各种各样形式的振动现象有关。这些振动现象的背后隐藏着大量的海洋工程方面的专业知识。

（二）针对船舶与海洋工程专业“结构动力学”课程教材的选择

目前，国内关于船舶与海洋工程专业方面的“结构动力学”教材，主要有刘金实、胡昊颢的《海洋工程结构力学》和唐友刚、沈国光、刘利琴的《海洋工程结构力学》两部。前者为科学出版社出版，后者为天津大学出版社出版。刘金实版本在介绍基本概念及基础理论的同时，注重介绍海洋工程领域典型、关键性结构的动力学问题，注重培养读者解决工程问题的能力。唐友刚版本结合海洋工程环境及结构特征，介绍海洋工程结构动力分析的理论与方法，包括线性振动、非线性振动、随机振动的基本理论和方法以及风、浪、流等对海洋结构的作用机理、确定性载荷和随机波浪载荷计算理论，同时结合海洋固定平台、铰接塔平台、单点系泊与锚泊系统及浮式结构等，介绍海洋结构波浪作用下动力响应分析的理论与方法，对于深海平台动力分析问题作了简单介绍，对海洋工程结构非线性振动响应特点和分析方法进行了深入介绍。该书的主要特色是紧密结合海洋工程技术发展需要，力求理论联系实际，以大量海洋工程结构实例分析贯穿全书。笔者本人在求学期间运用的就是唐友刚教授的教材，结合笔者当年自身体验与广东海洋大学生源特点，拟采用唐友刚教授的《海洋工程结构力学》。

（三）“结构动力学”在船舶与海洋工程中的具体应用

“结构动力学”课程在船舶与海洋工程中也起着非常重要的作用。具体体现在，“结构动力学”课程对于优化船体结构与型线设计，提高船舶耐波性和强度、延长海洋管线使用寿命、降低海洋构件受到的疲劳载荷与冲击等方面起着非常重要的作用。

三、教学调整及进一步的改革构想

（一）教学调整

我们根据实际需求，结合专业发展，在学科内部组建专业的“结构动力学”教研团队，挑选业务熟练、力学理论功底强又有学科交叉背景的青年教师，针对广东海洋大学的生源特点，展开特色化教学，结合多媒体影像，用化繁为简的能力，把复杂的机理讲简单、把难理解的公式用学生能听懂的语言讲明白，要让学生在联想到某一知识点时，脑海中呈现出画面感。

（二）进一步的改革构想

我们进一步锤炼办学特色和专业方向，结合广东海洋大学“十四五”发展规划，以“结构动力学”为抓手，以点带面，对船舶与海洋工程专业的所有课程进行优化，进而逐步形成新的涉海人才培养体系。

四、结束语

“结构动力学”课程内容涵盖面非常广，且其涉及的理论也比较深，因此学生学起来会比较吃力。针对这种情况，对于地方性的涉海高校来说，由于其生源本身的数学和力学基础相对薄弱，因此，我们必须采取针对性教学，即选取合适教材，组建专业团队，最大限度实现船舶与海洋工程专业方向该课程的个性化教育。这样有利于专业人才的科研能力和工程应用能力的全面提高。

从最新的发展前沿来说，目前，结构动力学分析中的一个主要热点是随机有限元动力分析法。随机结构动力分析法的研究，主要集中在两个内容上，即随机特征值和随机动力响应的概率分析。而随机结构的动力分析方法主要包括随机模拟法、摄动随机有限元法、动态随机有限元法和正交展开法。除此之外，结构动力学中的反问题研究。结构稳定性与动态子结构法也是当下较为前沿的研究方向。

总体来说，结构动力学在经过200多年的发展后已经成为一门相对成熟的学科。但是，结构动力学仍然有许多新的问题需要研究，如复模态理论、主动振动控制以及通过吸收一些新的技术，改善现有的方法和技术以提高计算效率和计算结果的精度，也可以展开跨学科的研究。具体到船舶与海洋工程专业来说，我们要紧追当前结构动力学的研究前沿与热点，在授课过程中要结合专业特点与结构动力学的研究热点对授课内容与授课环节进行不断优化，使得学生在课堂教学中既掌握结构动力学在船舶与海洋工程专业中的应用，又能了解到结构动力学本身的发展趋势，以便为学生以后的求职拓宽道路，为他们以后开展跨学科的研究打下一定的基础。同时，教师在授课过程中要结合结构动力学的发展史鼓励学生发扬钻研精神，加强科学研究，尝试运用结构动力学在工程领域解决更多的问题，立志成为大国工匠！