工程力学与机械设计

工程力学与机械设计（精选8篇）

工程力学与机械设计 第1篇

关键词：工程力学,化工设备,课程整合

1 整合的缘由

为了让所培养的学生更好地满足用人单位的需求,武汉科技大学化学工程与技术学院在广泛征求用人单位意见后,就化学工程与工艺专业的课程体系建设进行了一系列的探索,整合工程力学与化工设备机械基础课程就是其中的一项重要工作。

众所周知,《工程力学》是工科专业一门十分重要的专业基础课程,几乎所有的工科专业都开设有《工程力学》,教学内容基本一致,而且一般釆用大学时。武汉科技大学化学工程与工艺专业在课程整合之前,所开设的《工程力学》学时数为82。但这种一刀切式的课程设置并不合理,因为不同专业对工程力学知识的要求相差很大。例如,在机械专业中,构件的运动方程和规律,是研究和设计机械零件中的关键思想,对于园林或化工工艺专业就不是重点内容了[1]。因此有的学校已开设了少学时的《工程力学》[2,3]。

为了增加学生社会的适应能力,加大学生的知识面和提高综合素质,压缩一些主要课程的学时,并不断增加一些新的课程已成共识,因此《工程力学》就成了这次课程体系改革的压缩对象。考虑到《工程力学》与《化工设备机械基础》关系最密切,就将压缩后的《工程力学》与《化工设备机械基础》整合成一门课程,取名为《化工设备与材料》。

2 内容选取与整合

整合的《化工设备与材料》是化学工程与工艺类专业一门综合性的机械类技术基础课,包括工程力学、化工设备材料与焊接和化工容器设计三大部分。其任务是使学生具备基本工程力学知识,了解化工设备的选材要求及常用材料的特性,了解和掌握化工设备的设计计算方法和过程及典型设备的结构设计与计算,强化化工类专业本科生对化工设备的机械知识和设计能力。

根据化学工程与工艺专业的特点,以满足化工容器设计所需力学知识为原则,对工程力学部分选取如下几章作为教学内容。

第一章 物体的受力分析及其平衡条件。讲授的内容有:力的概念和基本性质;力矩与力偶;物体的受力分析及受力图;平面力系的平衡方程

第二章 直杆的拉伸和压缩。讲授的内容有:直杆的拉伸和压缩;拉伸和压缩时材料的机械性质;拉伸和压缩的强度条件。

第三章 直梁的弯曲。讲授的内容有:梁的弯曲实例与概念;梁横截面上的内力—剪力与弯矩;弯矩方程与弯矩图;梁弯曲时横截面上的正应力及其分布规律;梁弯曲时的强度条件;梁截面合理形状的选择;梁的弯曲变形。

第四章 强度理论。讲授的内容有:基本变形小结;复杂应力状态;强度理论

根据用人单位的反馈意见,增加了化工设备材料的讲授学时,并增加焊接为讲授内容。化工设备材料与焊接部分共设有两章。

第五章 化工设备材料及其选择。讲授的内容有:概述;材料的性能;碳钢与铸铁;合金钢;有色金属材料;非金属材料;化工设备的腐蚀及防腐措施;化工设备材料的选择。

第六章 焊接。讲授的内容有:电弧焊;焊接接头和坡口形式;焊接材料;焊接缺陷与焊接质量检验。

由于总学时的限制,对《化工设备机械基础》的教学内容也进行删减,教学内容围绕化工容器设计进行设置,共设有四章。

第七章 容器设计基础。讲授的内容有:概论;内压薄壁容器设计;外压圆筒设计;封头的设计。

第八章 容器零部件设计。讲授的内容有:法兰联接;容器支座;容器的开孔与附件。

第九章 塔设备强度设计计算。讲授的内容有:塔体的强度计算;裙座的强度计算。

第十章 容器设计举例

整合后的课程内容与学时分配如表1所示。

3 教学过程中存在的问题及对策

整合后的《化工设备与材料》总学时数为46,其中工程力学部分由原来的82学时压缩到16学时,为其它课程腾出66学时。该课程已在化学工程与工艺2007级、2008级和2009级开设三届,并取得了满意的教学效果,当然也暴露出了一些问题。

暴露出的问题主要有:没有与教学内容完全匹配的教材,给学生课前预习和课后复习带来不便;没有开设实验,学生对材料的变形缺乏直观印象。

通过在教学大纲中对教学内容和教学要求进行明确,并在教学过程进行再次申明,可以基本解决第一个问题,当然最好的解决办法是编写一本与教学内容完全匹配的教材。

通过在互联网上的一些视频网站(如优酷网)下载相关实验的视频,播放给学生观看,并有针对性地进行讲解,可以基本解决第二个问题。

4 结 语

将工程力学与化工设备机械基础课程整合,可以腾出大量宝贵的学时,为增设新课程和强化专业主干课程提供了空间。教学实践表明这种整合是可行的。

参考文献

[1]廖孟柯,王庆.少学时工程力学教学方法探讨[J].装备制造技术,2009(8):191-192.

[2]杨建波,王维,蒋平.中少学时工程力学教学及教改探索体会[J].教育教学论坛,2010(6):25-27.

机械工程力学电子教案a00-2 第2篇

(用鼠标点击蓝色的标题，即打开该章节文件)说

明 绪

论

第一篇 静力分析 第一章 静力分析基础

§1-1 力的投影

§1-2 力矩与力偶

§1-3 重心与形心

§1-4 约束和约束力

§1-5 机械零部件的受力分析 第二章平衡方程及其应用

§2-1 平面力系的平衡方程及其应用

§2-2 平面特殊力系的平衡方程及其应用

§2-3 简单轮轴类部件的受力问题

*§2-4 斜齿轮和锥齿轮的轮轴类部件的受力问题

*§2-5 摩擦与自锁 第三章 内力计算

§3-1 杆件拉伸和压缩时的内力和轴力图

§3-2 圆轴扭转时的内力和扭矩图

§3-3 梁弯曲时的内力——剪力和弯矩

§3-4 梁弯曲时的内力图——剪力图和弯矩图

第二篇 机械零部件的承载能力 第四章 材料失效和机械零部件失效

§4-1 轴向载荷作用下材料的力学性能

§4-2 机械零部件的失效形式和材料的许用应力 第五章 机械零部件的强度条件

§5-1 杆件拉伸和压缩时的强度条件及应力集中 §5-2 联接件强度的工程实用计算

§5-3 梁弯曲时的强度条件

*§5-4 弯曲与拉伸（压缩）组合变形的强度条件

§5-5 圆轴扭转时的强度条件

§5-6 圆轴弯曲与扭转组合变形的强度条件

§5-7 圆轴的疲劳失效 第六章 杆件的变形和刚度条件

§6-1 杆件拉伸和压缩时的变形

§6-2 圆轴扭转时的变形和刚度条件

§6-3 梁弯曲时的变形和刚度条件

*§6-4 静定和静不定问题 第七章 压杆的稳定条件

§7-1 压杆的临界压力和临界应力

§7-2 压杆的稳定性校核 第八章

提高构件承载能力的措施

§8-1 提高构件承受静载能力的措施

§8-2 提高构件疲劳强度的措施

第三篇 运动分析和动力分析初步 第九章

运动形式概述 第十章 刚体绕定轴转动

§10-1 刚体绕定轴转动的运动分析

*§10-2 刚体绕定轴转动的动力分析

*§10-3 轴承的动约束力和定轴转动刚体的动应力 *第十一章 合成运动

*§11-1 点的合成运动

工程力学与机械设计 第3篇

关键词：机械类工程力学 教学改革 创新方案

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2014）01 （B）-0000-00

对于中职学校机械类专业学生来说，工程力学是一门非常重要的专业基础课，学好了它才能为以后专业课的学习打下良好的基础，可以说它是从基础课过渡到专业课的一个桥梁。工程力学分为土建类和机械类两种，对于土建类专业来说工程力学一般研究的是结构力学和理论力学，也就是不同结构系统内部各部分产生的力的相互作用，数据上一般研究的是外力，相互作用力；而机械类专业的工程力学主要研究的是材料力学和理论力学，也就是不同材料和零件内部产生的应力分析，数据上分析的是内部应力以及外力产生的应力，机械类主要考虑的是机械失效，比如断裂，点蚀，剪切，塑性变形，胶合等等一些力学失效问题。随着中等职业教育课程改革的深入，工程力学教学改革政策以及相应的教材正陆续推出，新教材内容的更新速度基本可以跟上中职学校课程改革的步伐[1]。本文将结合中职学校机械类学生的实际情况出发，提出对工程力学教学改革的创新方案。

1.目前教学中存在的问题

1）学生方面：众所周知，中职学校的学生普遍底子薄。近几年来，随着中等教育入学率持续升高，职业教育学校的学生素质越来越差，这些学生学习的基础普遍较差，尤其是在数学、物理等方面，学习方面的能力以及自控能力都较弱。他们大部分缺乏学习的动力，没有明确的学习目标，进校后抱着混三年拿张文凭的心态，得过且过，根本没将心思放在学习上。虽然有少部分学生想学点专业知识和技能，但却没有正确的学习方法，不注重理解和掌握基本概念、基本定理和公式的内涵以及解决问题的基本方法，只是死记硬背，乱套公式。

2）教师方面：目前学校里仍然有些教师观念陈旧，不知道改变教学方法，抱着固有的观念去对待所有的学生，要求很高，不重视学生基础，导致学生的学习基础持续下降；有的教师为了应付上级的各项考核，在授课、作业、练习、考试中加大难度，学生却根本不能接受，又导致学生感到灰心，失去学习的动力。此外，在授课时有的老师往往严格按照教材的章节内容，花很多时间讲复杂而严密的公式推导等学生难以掌握的内容，致使教学越教越难。

3）教材方面：如今的教材仍然是按照很早一起的教学体系而编写的，重在强调学生的计算能力和解题技巧，而忽视了基本理论在工程实际中的应用，让许多学生认为以后又不搞设计学力学课程根本无用的错误观念[2]。

2.改革创新的内容

现行机械专业工程力学的内容是为了适应传统的机械设计而编制的，重点在于培养学生运用力学中的理论和实验来分析和解决简单线性问题的能力，这样的教学内容仅仅能够满足传统机械设计中经验近似设计的需要，而面对现代机械工程中大量出现的动态问题、非线性问题、精确优化问题等，往往是难以满足需要的。进几年来对传统工程力学的教材内容和教学方法作进行了多次改革，但每次创新点不突出，本文将结合相关文献提出几点改革创新的内容，具体包括以下方面。

2.1优化教材

如今已经进入信息时代，计算机技术得到了广泛的应用，从而让力学实验的方式和方法改变了许多。因此，必须有新的教材来适应这一改变，新的实验教材应当重点突出数字化实验仪器的运用，讲授如何运用计算来进行实验以及运用计算机数据处理数据的方法。

此外，应当适当调整教材的内容，根据实际运用来调整教材中的重点以及难点，使本课程能够适应机械类专业的就业方向，做到学以致用。例如，在材料力学的扭转章节中，非圆截面杆的教学不是教学的主要内容，在教材中业仅仅是一带而过，对学生也不要求，然而是在工程实际应用中，非圆截面杆的扭转却又非常常见。因而在工程力学的教材应当根据实际应用来进行改编，这样才能成为真正意义上的教材[3]。

2.2加强对学生实践能力的培养

对于中职学校的学生来说，学习这门课程主要是為了就业的需要，而不是纯理论研究，所以老师应该结合工程实践，培养学生的学习兴趣，让学生充分认识到学习工程力学的重要性。老师应该根据教学内容和大纲要求安排学生做相关力学实验，通过实验可以开拓学生的思维、培养学生的动手能力。要充分利用学校能提供的教具，实验仪器不够时让学生通过分组操作以培养团队合作精神，让他们在操作中能够有所创造、有所发现、有所收获。有条件的话，学校或者老师应该尽量组织学生到工厂见习，使他们对冲床、剪床等机械设备的运动情况、设备破坏的特点及危害等能够有一定的认识。如果老师在现场，应该提出一些与课本关系密切的力学问题让学生思考，这样不但能够激发学生学习力学的好奇心，还能够为他们培养良好的学习动机，激励他们学习的欲望，让他们体会到学以致用。

2.3采用计算机辅助教学

力学中有的问题的讲授是一个非常抽象的过程，比如“刚体”就是一个抽象的概念，对于这些问题可能仅仅用语言是难以表达清楚的。对于中职学校的学生来说，他们的特点普遍是抽象思维差，形象思维强。因此，应该加强采用多媒体教学，这样不但形象直观，而且多媒体计算机可以生动、形象和充分的提供图文声像等信息，使教学内容动静相兼、形象直观，能够吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣。

3.总结

工程力学教学的改革是一项非常艰巨的任务，这不仅需要老师的思考，还需要学生的积极参与，在老师的努力以及学生的反馈下，老师要不断优化教学方案，提高教学和教学设计的能力，加强培养学生学习的兴趣，让学生能够更好的学习力学课程。

参考文献

[1]周凯红，李淑.机械类本科工程力学教学新体系的构想[J].理工高教研究，2006（4）：105-106.

[2]李同杰.机械类专业工程力学课程教学中存在的几个问题及其解决方案[J].科技信息，2010（9）：441.

工程力学与机械设计 第4篇

沈阳化工大学基础力学的授课对象总体上分成两部分, 一个是机械类学生的力学的授课, 主要包括理论力学和材料力学, 学时都较长, 均达到64学时, 两门力学课程为学习机械设计基础等后续课程提供重要的理论依据。另一个是针对我校的非机械专业, 我们开设的工程力学, 学时较短, 面向化学工程与工艺、高分子材料与工程、环境工程等近10个专业, 工程力学的学习可以为这些学生树立工程理念、了解相关专业设备的原理、操作应用等打下理论基础。

近几年来, 在国家大力提倡素质教育、培养学生综合能力的大环境下, 本科学生学习的科目有所增加, 但很多课程的学时得到削减, 我们面向化学工程与工艺、应用化学、食品科学与工程等专业工程力学课程由三年前的24学时削减为现在的16学时, 而另一方面, 工程力学由于其知识体系的特点, 24学时和16学时授课内容几乎一样, 这就给学生学习工程力学带来了一定的困难, 也为教师讲授该门课程带来了挑战。

近年来, 笔者一直在讲授非机械类工科专业工程力学, 针对学时的削减对授课的方法作出了一些调整, 其中, 对授课内容进行重新优化组合, 对各知识点进行比较讲授, 收到了不错的效果。

一、非机械类短学时工程力学授课内容优化组合的基本思想

(一) 授课内容

无论是24学时还是现在16学时的工程力学, 由于工程力学课程的特点, 授课内容均包括静力学、轴向拉压杆件强度和变形计算、扭转的强度和变形计算、弯曲的强度计算等内容。

(二) 授课内容优化组合

对授课内容进行优化组合的思想来源于我们编写一本理论力学的双语教材, 当时我们参考了很多国外的原版教材。有些力学课程授课的思路和国内不同, 比如我们的理论力学, 我们曾经讲过合力投影定理, 我们还介绍过力的平行四边形法则, 我们在讲运动学时也讲授了速度及加速度的合成的法则, 实际上这些都是矢量的性质, 因此, 在国外的一些教材上, 他们先用很大的篇幅介绍了矢量的性质, 然后在后续的课程的讲授中只要遇到矢量就不用花大力气去讲授其性质了。实际上这就是一个先介绍个别还是先介绍整体的问题。孰优孰劣不好下结论, 在不同的情况下二者会有不同的效果。

16学时《工程力学》现在的学时分配是静力学、轴向拉压杆件强度和变形计算、扭转的强度和变形计算、弯曲的强度计算各4学时, 可以说, 4学时对每一部分的授课都几乎是不可完成的任务。而我们的教学目的是让同学们掌握工程力学解决实际问题的基本方法, 即 (1) 工程实际问题的提出→ (2) 工程构件计算模型的建立→ (3) 根据题设条件 (主动力) → (4) 应用静力学平衡方程求出约束力→ (5) 根据外力的作用特点, 分析构件的变形形式→ (6) 应用截面法求出危险截面上的内力→ (6) 最大工作应力值、最大工作变形量→ (7) 再根据强度条件和刚度条件对工程构件进行设计计算。可以讲, 现在我们的学生如果掌握得比较好的话, 能对单一基本变形的步骤 (4) → (7) 有所了解, 因此, 我们的授课还没有完全达到理想的效果。

为此, 我们将授课过程中的各基本变形的强度和变形计算进行“同类项合并”, 使原来的“串联”的授课和学习变为“并联”的授课和学习, 既能够节省授课的时间, 而且也有利于学生从整体的思想以及从力学方法的高度去认识我们讲授的内容, 因为我们授课的重要目的是让学生掌握这门课程解决问题的方法。

本课程由于其内容特点决定了静力学部分讲授的内容和方法不会有大的变化, 还是要讲授受力分析、平面力系简化和平面力系的平衡, 可能的变化是学时的分配, 初步想法是由现在的4学时增加到5学时, 以期使同学们对这部分内容掌握得更好一些, 为后面内容的学习打好基础。本课题主要改革的内容是材料力学的四种基本变形的讲授顺序和方法。

材料力学部分几种基本变形的研究思路如下图1。

现行教材和现在的授课思路都是 (1) → (2) → (3) , (1) (2) (3) 三条线都是作为单独的一章进行讲授的, 每一部分用4学时。但从上面研究的问题中可以很容易地看出, 每一种基本变形的每一个小的知识点都是相同的, 而且每一个小知识的讲授从力学方法上看都是一样的。比如在讲授内力的符号规定时, 每一种基本变形的内力都会有正负号规定, 而且每一种变形的内力都可以画出内力图, 虽然具体的规定不同, 但它们规定的目的和方法是类似的, 因此也可以说它们是大同小异的, 这样我们就可以对这些“同类项”进行“合并”, 为此我们编写了一本临时的教材, 教材采用三栏, 每一栏分别代表 (1) (2) (3) , 其相同内容部分在教材的横向是对应的, 讲授时我们三条线同时进行。从整体来说, 这样有助于同学们从整体上掌握材料力学对变形的研究方法, 而且对方法的理解会更加透彻。

二、优化组合教学实践

根据我们优化教学的思路, 2010-2011学年度第一学期, 我们在我校高分子材料与工程专业2008级1班-6班进行了教学实践, 该专业工程力学学时为32学时, 在工程力学材料力学的基本变形部分采用优化教学方案。以32学时为实践对象主要考虑到初次实践, 应该留有余量, 实际上我们主要的目标还是为16学时工程力学的教学内容优化组合提供数据和依据。

我们以学生的高等数学成绩为参考依据, 将6个班学生共计163人分成2个教学班组, 并使他们的学习高等数学总体成绩相当, 以方便对我们教学效果的比较。第一班组共计81人, 我采用的是传统的教学方法, 即按照图1中的 (1) → (2) → (3) 的授课顺序;第二班组共计82人, 我采用的是 (1) (2) (3) 三条线同时进行的授课方式。为使授课条件相当, 第一班组上课时间为周五下午13:30-15:20, 第二班组为15:40-17:30。授课时讲的内容包括例题等全部相同, 部分采用多媒体教学。期末考试考核方式为闭卷考试, 共5道题, 考试时长90分钟。

三、优化组合后的教学效果分析

下面我们对两个教学班组的教学效果进行比对。考试共有5道题, 但1、2两题属于静力学部分内容, 我们不加以对比。第3、4、5三题分别为轴向拉伸的强度计算、扭转的强度和变形计算以及弯曲的强度计算, 三个题的分值均为20分, 我们以这三个题目考试的卷面成绩进行对比。图2为两个教学班组考试成绩各分数段分布情况, 从分布情况来看, 第二班组学生的分布情况比第一班组的情况要好一些。表1列出了各题平均分及最高分和最低分统计, 从表1和图2综合来看, 我们的教学改革实践收到了一定的成效。

四、结论

通过对非机械类短学时工程力学教学内容的优化组合, 调整授课顺序, 采用“并联”的方式进行授课, 更加有利于学生在较短学时内掌握材料力学中各基本变形的概念和解决工程实际问题的方法。从考试结果来看, 我们的教学改革时间收到了预期的效果。

摘要：针对工程力学课程缩减学时而授课内容不减的实际问题, 我们对非机械类短学时工程力学教学内容进行了优化组合, 通过调整授课顺序, 采用“并联”的方式进行授课, 更加有利于学生在较短学时内掌握材料力学中各基本变形的概念和解决工程实际问题的方法。从考试结果来看, 我们的教学改革实践收到了预期的效果。

关键词：工程力学,比较教学,高等教育,教学改革

参考文献

[1]胡长鹰.非机械类工科专业工程力学课程教学改革的实践[J].北京印刷学院学报, 2002, 10 (3) :50-52.

[2]陈卫增.工科工程力学课程教学方案改革的尝试[J].科技信息, 2007, 22138-139.

[3]R.M.Dreizler, C.S.Ludde.Theoretical mechanics:Theoretical physics1[M].London:Springer Heidelberg Dordrecht, 2010.

[4]M.W.Mcccall.Classical Mechanics, From Newton to Einstein:A modern introduction[M].Chichester:John Wiley&Sons, 2011.

[5]P.V.Panat.Classical Mechanics[M].New York:Alpha Science International, 2005.

机械结构设计中运动力学的应用论文 第5篇

0引言

工业经济虽然在知识经济时代的来临和冲击之下，逐渐走向了式微的发展阶段，但这并非意味着在社会生活和经济生产中，已经失去了往昔的主导地位，仍旧存在着不可忽略的价值和功能，并在国家复兴的进程中，具有强大的助推作用。作为传统工业部门中的代表，机械制造业不但在经济发展的助推中，作用绝非可有可无，而且在当前科技创新的研究领域中，其平台作用也是不可小觑。在机械结构的设计原理中，运动力学在其中的干预作用最大，在物理学的实验活动中，也最受研究人员的重视和关注。

1机械结构设计的在应用中的技术要素

作为机械结构设计环节中的重要组成部分，结构设计中的关键要素，正是促进技术革新的重要手段之一。伴随着科研活动中的理论基础的日益夯实和技术应用范围的日趋扩大，物理学中的相关原理也逐渐拥有了充足的用武之地，在实际机械结构的设计中，不断满足着机械结构的符合要求，并促进生产水平的解放和提升。在机械结构设计层面的几何要素上进行分析，机械结构的设计原理，秉持着其精密的设计技术的指导和应用，在零部件之间能够实现咬合力的提高，并实现位置关系的明确定位和精密确定。在这种几何要素的关系体系之内，机械结构设计中最为关键的因素，便是不同的面，在这些不同的面上，通过完善和优化的考量，来保证在零件的不同接触面上，都可以进行合理的安排。

2运动力学在机械结果设计中的应用

运动力学在机械结构设计中的应用价值，主要体现在2个方面：

(1)在零部件的链接方面。在这一环节中，诚如上文中论述的那样，存在着直接链接和间接链接的差别，由于存在着应用方面的差别，所以在运动力学的应用潜力上，也存在着截然相异的表现。但是作为机械设计中的核心要素，运动力学所产生的抽象指导上，从根本上也是如出一辙。例如，利用力矩的变化，通过计算不同联接点的摩擦力和压力，从而可以了解到不同的节点的`压力和零件的材料选择等。在力学计算和相应的选择性指标的衡量下，构成决定零件的选材和位置的排列组合等等，都体现出这一点。

(2)在机械零件的操作过程中，一旦发生损耗等相关问题，运动力学的理念和技术原理同样存在着必要的指引作用，特别是在行动与摩擦之后产生的损耗之后，借助运动力学的相关理论，便能够依照运动做工，实现计算机的损耗系数，并且对零件的损耗程度进行相应的预定，还能够在根本上实现材质遴选的科学性。总之，充分利用运动力学，是保证机械结构设计的基础，也是未来的发展方向。

3运动力学在机械结构中的设计准则

3.1满足力学要求的设计准则

在进行机械产品结构设计过程中，必须要考虑到材料力学、弹性力学、疲劳力学等相关的力学准则，并且在此基础上，通过相应力学的强度计算法则，实现设计合格化的机械产品，积极引用在生产活动之中。在运动力学的物理学术体系中，疲劳力学便是一个值得参照的对象。由于其与轴承、齿轮以及轴的使用寿命等存在着直接的关联，因此在设计过程中，研究人员通常会依据不同机械零件的载荷变化，实现力学计算的灵活化处理，进而实现产品结构的优化，并延长机械产品的使用寿命和利用周期。由于零件的截面尺寸的变化，能够带动其内应力变化适应能力的提高，这便能够使得各截面的强度相等。而按等强度原理设计的结构，材料才可以得到充分的利用，提高经济效益。

3.2创新机械结构的设计理念

如今的机械结构创新设计活动，大体是指采用机械结构设计变元法，通过针对机械结构设计中相关因素的遴选和改变，以实现机械结构在实用层面上的技术革新和理念创新，以便满足于应用上的诸多需求。在这种呼之欲出的科研背景之下，创新型结构在便利性和经济性等多方面上均能够优于传统设计结构的主要原动力，就是近年来推出的变元法。这种机械结构的设计法则主要包括多种装配原理，例如数量变元、形状变元、材料变元、位置变元以及装配联接变元等等，在变元中实现机械结构设计方案的革新，并在数学模型的引导和助推下，计算和测试其结构性能，便能够选择出最优化的机械结构设计。

4结语

工程力学与机械设计 第6篇

关 键 词：工程机械 形态设计 产品语义

我国工程机械企业的研究领域一直集中于产品功能、使用强度和安全性能等方面，使得产品外在形态几十年不变的现象十分严重，这已在较大程度上阻碍了我国工程机械类产品的发展，因此，工程机械产品的形态设计在现阶段显得尤为重要。工程机械产品的形态设计不仅可以促进人与机器、机器功能于外在形态之间的统一与和谐，也可以满足人在使用时生理和心理的需求。

科学技术的迅速发展带来人们观念的改变，在当今时代，科技与美学的结合是最重要的时代特征之一，而工程机械产品的形态设计也日益成为占有市场的主要竞争手段。在我国一些企业已经认识到工程机械市场产品外观造型这一块的严重缺失，很多企业开始致力于产品外观设计的研究。通过校企合作的项目，我们也发现这个研究领域还有很多值得我们去探索尝试的空间。

一、“形”与“义”中的功能语义

工程机械产品形态设计的形式不可能脱离功能而存在，所以形式与功能的关系是形式服从于功能。在进行产品的形态设计时，首先考虑的是产品的功能性以及安全性，在对产品功能、结构特征性周全考虑的基础上再进行形式的美化，切不可单纯为了形式美而违背产品的功能与结构，应避免产生原则性的错误。因此，在设计之前，我们应该抽象出设计对象的功能系统的结构，针对这一部分的结构作形式上的再创造，一般如下几个步骤：

1、在设计之前，我们应该给所要设计的产品或者部件进行功能定义。功能定义就是对设计对象的整体和各个组成部分的功能下定，以明确其本质。每个产品都是有多个部件组成的，而每个部件又由多个零部件组成，所以我们要对整体产品和产品各个构成要素的功能分别下定义。由此可见，功能定义的目的就是要从肯本上进行设计，把隐藏在产品或其零部件中的功能揭示出来。

2、在对设计对象（产品或零部件）进行功能定义之后，需要将他们的功能进行区分和分类，以便更好的分析设计对象。按照性质来分，可以分为物质功能和精神功能，物质功能是指设计对象的实际用途，而精神功能是指产品通过造型所表现出来的企业文化等。对于工程机械产品而言，物质功能相对而言居于更重要的地位，因为设计这些产品的主要目的是满足人们的使用需求，而现在越来越流行的IT产品则更多地是满足人们的精神需求，强调精神功能；按照重要程度来分，可以分为必须功能和辅助功能。必须功能指设计对象必不可少的功能，而辅助功能是设计对象在满足必须功能的基础上添加的附加功能。在进行设计时，应首先确定设计对象的必须功能，外部造型也主要建立在必须功能之上，在必须功能考虑完善的基础上在考虑辅助功能。

3、在功能定义和功能分类之后还需要将功能进行整合。在即分析每个功能间的内在关系之后发现和消除重复或是不必要的功能，将整个功能系统进行统一整合。

二、“形”与“义”中的造型语义

在西方有一些学者与艺术家提出了形式法则理论，时至今日，形式法则已经成为现代设计的理论基础知识。形式美的法则是人类在创造美的形式过程中对美的形式规律的经验总结和抽象概括。形式美的法则，是所有设计的共同法则。

1、变化与统一

任何物体都是由点、线、面、三维虚实空间、颜色和质感等元素有机组合而成的一个整体。统一是寻求各部分之间的内在联系，而变化则是需寻找他们之间的差异。没有同意将是杂乱无章，没有变化则单调乏味。所以再做任何设计时，我们既要努力追求整体的统一感，又要追求各部分之间的变化。

在做工程机械产品的形态设计时也是一样，要特别强调变化与统一的相结合。线性、色彩、装饰的涂装，甚至是连转角的角度、圆滑成都，都要一一考量，切忌不用线性、不同色彩、不同涂装的等量配置。一般来说，设计时会设置一个主导因素，以他为主，把握整个产品的统一性，而其余的因素为辅，适当运用，体现统一中的变化。工程机械产品的设计中线性和颜色对整个产品的效果是占有主导地位的，所以设计时首先要确定线性的基调是直线还是曲线，在这基础上再把轮廓线及各部件的线性在统一中求变化，然后要确定颜色的基调是冷色还是暖色，再在大色块的基础上做小色块的处理。

2、对比与协调

对比是指产品设计中的某一因素，如体量、材质、色彩、明暗等，有两种以上不同程度的差异显现时所形成的的不同的表现效果。协调则是指变化中具有共通性、相互影响、相互补充的因素以构成的统一整体的效果。对比是相邻部分的差异，协调则是不同部分间的过度。

在设计工程机械产品时，必须保证产品整体的大效果是和谐协调的，这一要素主要抓住消费者的第一印象。而在此基础上，产品需要有细节处理的对比才能使产品呈现出效果更加丰富。

3、比例与尺寸

在产品设计中，比例和尺寸是缺一不可、相辅相成的，良好的比例是根据人或人的使用空间的大小所确定，正确的尺寸则是通过各个部分的大小比例关系所呈现的。比例和尺寸一定是产品造型的基础，只考虑造型而或略了比例与尺寸的设计，最后可能导致影响使用者的正常使用。

在工程机械产品的造型设计中，比例的把握尤为重要，且较为复杂。工程机械产品除总长、总高、总宽之间的大比例关系外，还有很多部件与整体、部件与部件，以及部件与部件的零件，零件与零件的比例关系等等都要全面的进行把握。而工程机械产品造型设计中，尺寸也涉及各整体与各零部件的尺寸，以及一些国家标准等问题，更多的要与人机工程学相结合。

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4、对称与均衡

在形态设计中，对称均衡会让人产生是视觉及心理上的完美、和谐、宁静之感。静态平衡的格局大多都是有均衡与平衡的形式构成。对称是在统一中求变化，平衡则侧重在变化中求统一。

在工程机械产品的形态设计中，一般在正面采取对称的形式，而侧面则采取均衡的形式，这样使产品即显得和谐又有变化。对称和均衡的形式一方面是基于工程机械产品功能考虑的，另一方面则能给使用者以心理上的安全感。这样才能使产品设计的造型和使用者的心理感受达到统一。在工程机械产品形态的设计中，还要处理好量感，这包括整体与零部件，及各零部件之间的安排、色彩组合以及其他要素的设计，这也是使产品达到均衡效果的关键。

5、节奏与韵律

在形态设计中，节奏与韵律是指同一要素在一定的变化规律中重复出现所产生的运动感。在工程机械产品的形态设计中，由现代工业对产品的系列化、通用化、标准化的要求，使得产品具有一种有规律的循环。由于这种循环，产品的设计产生了节奏和韵律感。对于单个产品，我们也可以运用线、体、色来创造这种韵律感。

三、“形”与“义”中的色彩语义

1、满足功能安全的要求

色彩设计的首要目的是要满足功能和安全的要求。因此，在工程机械产品的色彩进行设计时，色彩要与其形态、结构、功能融合为一体，达到和谐的效果，要利用色彩的分区以及特殊的指示使工程机械产品的使用功能更加明确。由于工程机械产品使用环境的特殊性，要保证安全必须采用大面积的高明度及强烈的色彩以起到警示的作用。主色调为一色或者两色，其他颜色为辅助，起到对比色的作用，这样的主体显得庄重，也比较和谐。而操作部件及内饰色彩设计，则应尽量避免沉闷，这样容易令操作人员有困乏之意，但也不能太刺激，因为太久刺激神经容易疲劳。因此一般选用中性的色彩，纯度应适当降低，如灰色或者纯度低的蓝色等等。

2、符合企业文化的要求

现在一般的工程机械产品企业有自己的企业色，作为特定企业的产品，色彩必须与企业形象相吻合，要体现出企业特有的背景和文化。所以针对一个企业产品的色彩，不应是某个产品或者某个系列产品，而应全面的统一所有产品的色彩。不同种类的工程机械产品结构及功能的差异比较大，仅仅靠外观形态的设计及很难使所有产品达到统一的效果，色彩设计师则正好可以弥补这一块，增强企业产品系列化的特征。

3、符合环境色彩的要求

在对工程机械产品进行色彩设计时，考虑使用环境的要求也是重中之重。不同的机械产品有不同的工作环境，但较多情况下，工程机械产品都是较为复杂和混乱的环境中作业，所以一般采用高敏度、高纯度和有警示性作用的红、黄等色。但是，这也不是固定的。比如，在沙漠中，常见的黄色就很难在起到警示作用，反而会和周围的环境融为一体。因此，对工程机械产品的施工地点和色彩环境研究也是必要的。

4、满足人机关系的协调

色彩对人的心理影响是很明显的，好的色彩可以帮助作业者减轻作业时的疲劳感和紧张感，从而工作效率和安全性也得到了保障。所以对产品进行色彩设计时尽可能低满足使用者工作时的心理和生理需求，从而能较好滴协调人际关系。工程机械产品的作业环境一般较为恶劣，要求作业者长时间的高度集中精神，因此再设计工程机械产品的室内设计时，色彩的运用能给人一种较好的舒适空间之感。

四、“形”与“义”中的材质语义

产品的材质美主要体现在自然、科技和社会人文因素中，材质的美感也直接影响产品的艺术风格和人对产品的感受。好的设计离不开合理的使用材质，材质的质感肌理会给人以视觉和触觉的感受以及心里的联想，增加产品与使用者之间的互动。不同的材质会带给人不同的心理感受，木材给人以自然、朴实的感觉，钢材给人以科技感和距离感等等。然而随着人们的审美日益在提高，产品设计的美学在已有的大工业时代整齐划一的工业美感的基础上又提倡产品应该体现出材质的自然和真实的本质美。而且，材质的美还应该体现在人与自然的生态平衡中，我们再考虑产品的使用条件和性能的基础上，还应该要考虑材料对环境的影响和环境的约束准则，以便于使产品及零部件能够方便回收并循环再利用。

工程机械产品的形态设计是一门综合性的交叉研究学科，其主要体现是：工程机械产品的形态能把产品、人、环境和社会联系起来。因此我们要提倡绿色设计，在绿色选材方面遵循如下几个原则：节约材料，尽量减少所选用材料的种类和数量，可持续发展，对可再生材料我们要优先选择，对于可回收的材料要尽量选择，这样能提高资源的利用率，保护环境，尽量选用低能耗、少污染、环境兼容较好的材料，避免选用有毒、有害和放射性的材料。

五、结语

工程机械产品形态设计的语义研究具备理论与实践的双重指导意义。理论层面上，本文尝试对现有工程机械产品的形态语义做系统全面的分析，将形态语义学的知识尝试在工程机械产品上运用，从这一新的视角全方位的研究工程机械产品的形态设计方面的理论基础，为以后的设计提供理论指导；实践层面上，本文将形态及其语义研究应用于工程机械产品的设计开发中，从产品形态开发的角度探索性地构建一套系统的工程机械产品形态设计方法，使其可以运用到企业工程机械产品生产的设计阶段，为企业提供一套行之有效的方法体系。

参考文献

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工程力学与机械设计 第7篇

服务机器人在各个领域发挥着越来越重要的作用,老人服务机器人以多模态输入技术、自适应欠驱动技术和支持超平面的向量机数据融合和智能决策系统等创新技术为基础,是旨在服务未来家庭的新型先进仿人型机器人。Tomatis等[1]、舒畅等[2]对服务机器人功能和机构设计进行了研究。而机械臂作为机器人的主要执行机构,其性能的优劣直接影响着机器人的整体性能。本文所研究的机械臂要求具有合理的机械结构,较高的负载自重比,较高的精度,运动灵活且安全稳定。根据调研显示,日本近年来一直致力于服务机器人的研发,已经研制出包括本田ASIMO和丰田机器人等多款成熟的机器人[3]。相比于国外服务机器人较为成熟的技术,国内也有部分科研机构进行了相关的研究,但还未取得突破性进展,主要问题集中在机械臂运动速度、运动精度和长期稳定性等方面。Calvin[4]、赵铁军[5]、时凯飞等[6]、郭炬[7]分别对机械臂的结构设计及动力学和静力学仿真进行了研究。中国科学院先进制造技术研究所近年来针对服务机器人进行了大量的研究工作[8],笔者针对其中一款老人服务机器人的机械臂进行了研究,设计制造了一款轻量化的、运动速度快的、精度高且比较稳定的机械臂。

本文针对满足老人服务机器人机械臂的功能要求,对机械臂进行轻量化设计和动力学分析。首先根据机械臂的设计要求,选择合适的构架材料;然后对机械臂进行速度和加速度分析,建立基于牛顿-欧拉方法的动力学方程,计算各个关节的驱动力;根据动力学分析结果设计机械臂的结构,采用Simulation仿真软件对其进行静力学分析,以保障机械臂能够满足强度和刚度的要求,并对其进行轻量化优化设计;最后通过动力学仿真软件ADAMS对机械臂进行校验修正,从而优化机械臂的动态性能。

1 机构设计

1.1 机构描述

目前安装到人形机器人身体上的机械臂多数采用串联六关节或不少于六关节的结构,通常有三个关节集中于腕部。这种结构的优点在于结构紧凑、运动空间大并且能够绕过一定的障碍物。经典的PUMA机器人即是采用串联六关节的形式,由两个肩关节和一个肘关节实现机械臂末端的空间定位,另外三个关节用来确定机械臂末端姿态。本文所研究的机械臂即是采用腕部三关节的结构形式,关节分布结构简图如图1所示。

根据机器人的功能要求,设置机械臂的基本特征参数如表1所示,其中上臂长度即是关节2、3之间的间距,前臂长度即是关节3、5之间的间距,负载质量即是手爪和抓取物质量,运动速率通过关节转过90°所用时间来反映。

根据结构简图建立6个连杆的坐标系,如图2所示。由D-H方法[9]获得机械臂的连杆参数,如表2所示,其中,参数i表示关节序号,参数ai-1和αi-1表示连杆i-1的长度和扭角,di为ai-1与轴线i的交点到ai与轴线i交点间的距离,θ′i为初始情况下,连杆两个关节相对旋转角度。

1.2 轻量化材料的选取

本文对机械臂的轻量化设计是在满足强度和刚度要求的前提下,通过结构轻量化设计和选择合适的材料两种渠道来实现设计要求的。目前用于服务机器人机械臂的基本构架的材料多采用铝合金,其中又以铝合金2A12(原牌号为LY12)最为常见。本文以此为研究对象,从机械臂构架安全稳定和保证运动精度的角度出发,选择合适材料,对构架进行减薄等轻量化设计研究。

7075铝合金被广泛用于汽车、航海和航空等交通领域。它是第一种成功的Al-Zn-Mg-Cu系超硬铝,具有许多优点,包括拥有很高的强度密度比例,固溶处理后塑性好,可加工性好,热处理后强化效果明显,特别好的低温强度等。其中又以7075-T651铝合金的综合性能最好。表3所示为7075与常用铝合金材料2A12的性能对比,可见在两种材料的密度相差不大的情况下,7075的屈服强度明显高于2A12的屈服强度,所以本研究采用7075铝合金来制造机械臂的构架。

1.3 动力学分析与仿真

针对机械臂的动力学研究方法很多,本文采用牛顿-欧拉方法进行研究,基于运动方程和达朗贝尔原理来建立运动方程,该方法相比于其他方法具有多余信息少和计算速度快的优点[10]。如图1所示,机械臂由6个转动关节组成。令ω1~ω6为各连杆的旋转角速度,θ1~θ6为各关节相对于初始位置转过的角度,J1~J6为各连杆的转动惯量,m1~m6为各连杆的质量。

机械臂的连杆可以看成是刚体,它的质心加速度ac、质量m、作用力F之间应满足牛顿第二定律(F=mac)。

刚体旋转时,它的角速度ω、角加速度转动惯量J、作用力矩N之间应满足欧拉方程:。

运用动力学逆问题递推算法,根据关节转动的角度θ、角速度角加速度来计算驱动机械臂运动需要的驱动力矩Γ。为计算方便,同时为提高设计的安全系数,假设机械臂的连杆的质心在其末端。

连杆坐标系i相对于连杆坐标系i-1的旋转矩阵为

由于旋转矩阵是正交的,所以可以得到:

首先运用向外递推的方法计算各个连杆的速度和加速度,可得:

式中,iωi为连杆坐标系i的角速度;irci为连杆i的质心的位置矢量;ivi·为连杆坐标系i的线加速度;i-1Pi为坐标系i的原点在坐标系i-1中的位置矢量;iv·ci为连杆i的质心的线加速度。

利用向内递推的方法计算驱动力矩,可得关节6到关节1的作用力矩为

其中,ipci=lizi为连杆的质心矢量,li为坐标系i距离坐标系i-1的距离,zi为坐标系i的z方向单位矢量,且l1=l4=l5=0;c1J1~c6J6均为0,表示各连杆相对质心的转动惯量为0;ω0为基坐标系的转动角速度,ω0=0、ω0·=0表示基坐标系固定;0v0=gz0表示考虑基坐标系重力的影响;F7=0,N7=0,表示手臂末端自由;将1F1~6F6的z轴分量分离,即可得到6个关节的驱动力矩1Γ1~6Γ6。

在负载运动速度曲线为三角波、关节3s转过90°的前提下,计算关节旋转的角加速度为,关节旋转的最大角速度。

为了选择驱动系统,要考虑机械臂运动的极限情况,将各个关节的θi、的极限值代入动力学方程,并通过MATLAB软件进行编程计算可得到驱动力矩,根据计算得到的结果选择确定驱动电机和减速器的型号,可以设计机械臂的结构。将关节驱动电机和减速器的质量并入相应连杆的质量,假设所有负载的质量集中在连杆质心,计算得到的结果如表4所示。

对各个关节驱动电机功率的考虑主要关注关节负载瞬时功率是否小于驱动电机功率。根据上述计算结果,考虑关节驱动扭矩最大且电机旋转角速度最大的极限情况。根据机械臂设计要求,关节旋转瞬时最大角速度为.05rad/s,计算得到6个关节的瞬时最大驱动功率分别为P1=37.8W,P2=32.7W,P3=12.6W,P4=1.3W,P5=2.8W,P6=1.1W。根据计算得到的结果,并考虑传动系统传递效率,选择达到功率要求的驱动电机。

通过ADAMS软件对6个关节的驱动力矩进行仿真分析,建立模型并设置参数后计算,得到如图3所示的曲线。从图3可以看出,6个关节的驱动力矩的最大值分别为25N·m、30N·m、12N·m、0.5N·m、2.6N·m和0.4N·m,这与动力学计算的结果(表2)接近,具体每条曲线的走势与各个连杆的空间位置和每个关节的运动情况都相关,每个关节大概是在速度最快的1.5s左右或者在连杆处在重力力矩最大的状态下时驱动力矩最大。通过对6个关节的仿真与动力学方程的对比校验,可以保证机械臂所选驱动系统在能够提供足够驱动力矩的前提下,具有比较小的质量和外形尺寸。

2 机构CAD建模和CAE仿真

根据选择的电机和减速器,在CAD软件中建立机械臂的模型,如图4所示。同时利用SolidWorks/Simulation软件对模型主要受力零部件进行静态刚度分析。如在机械臂上臂框架部件一个方向承受载荷的工况下,考虑机械臂实际工作过程中的约束和载荷情况,分别对原结构和减轻质量的结构进行有限元分析,对部件施加一端约束,对另一端施加100N的载荷,划分网格后进行计算。如图5所示,原结构在载荷下承受的最大应力为37MPa,通过云图可以看到结构中间部分受到的应力比较小,所以对该部分进行掏空减重设计,再对优化后的结构进行有限元分析,改进后的结构承受的最大应力为46MPa,此值远小于材料的屈服极限505MPa,零件的安全系数大于10。如图6所示,对原结构和改进后的结构进行位移分析,由对比结果可知,原结构最大位移为0.48mm,减重设计后结构的最大位移为0.53mm,两者差距很小,都在允许范围之内。还可通过对其他关键零部件的仿真,实现对机械臂的轻量化优化设计,保证机械臂的强度和刚度达到要求。

经过以上的工作,机器人机械臂已经加工装配完成,如图7所示。实验结果表明各项指标均已达到设计要求,经NDI三维激光动态检测系统测量得到其重复定位精度在2mm以内,运行速度可以达到3s转过90°的设计要求,机械臂整体性能能够实现机器人抓取物体的功能需要。

3 结论

(1)通过牛顿-欧拉方法建立机械臂的动力学方程,通过MATLAB编程,可以方便地通过修改机械臂参数得到相应的动力学分析结果,该分析结果对相似结构的机械臂有一定的通用性。

(2)运用CAD和CAE软件,建立机械臂的虚拟样机模型,通过选择合适材料和优化结构两条渠道,实现了机械臂的轻量化设计,通过静力学和动力学仿真,保证了机械臂结构的强度要求,并且保证了机械臂驱动系统的驱动能力能够达到要求。

注释

1[1]Tomatis N,Philippsen R,Jensen B.Building a FullyAutonomous Tour Guide Robot:Where AcademicResearch Meets Industry[C]//Proceeding of Inter-national Symposium on Robotics.Stockholm,Swe-den,2002:1-21.

2[2]舒畅,熊蓉,沈振华,等.采用成品零部件的低成本服务机器人结构设计工程[J].设计学报,2010,17(3):236-240.

3[3]宗光华,唐伯雁.日本拟人型两足步行机器人研发状况及我见[J].机器人,2002,24(6):565-570.

4[4]Calvin M W.Computer Simulated Visual and TactileFeedback as an Aid to Manipulator and VehicleControl[D].Boston:Massachusetts Institute ofTechnology,1981.

5[5]赵铁军.仿人机器人腰臂机构综合与建模研究[D].沈阳:中国科学院沈阳自动化研究所,2003.

6[6]时凯飞,李瑞峰.自由度仿人手臂运动学研究[J].哈尔滨工业大学学报,2003,35(7):806-808.

7[7]郭炬.串联多关节机械臂设计与分析[D].武汉:华中科技大学,2008.

8[8]王琨,骆敏舟,赵江海.室内移动机器人导航中信息获取方法研究综述[J].机器人技术与应用,2010(2):38-41.

9[9]Denavit J,Hartenberg R S.A Kinematic Notation forLower-pair Mechanisms Based on Matrices[J].Journalof Applied Mechanics,1995,22:215-221.

工程力学与机械设计 第8篇

关键词：答辩,课程设计,教学质量

《土力学与基础工程》是我校土木、港航、水利、地质、交工、工管等专业的必修专业基础课。其目的和任务是为了解决工程建设中涉及的地基处理、基础工程设计和施工问题, 以满足工程建设中地基基础设计和施工的要求。而《土力学与基础工程》课程设计是实践环节中很重要的一门课程, 它的选题来源于实际工程, 又是由理论过渡到实践的“桥梁”。通过课程设计, 可以检验《土力学与基础工程》课程学习效果, 是巩固《土力学与基础工程》知识的一个最为有效的方法, 也是培养学生运用所学专业知识处理各种问题, 完成符合生产实际需要的重要实践性环节。为了让课程设计这一教学环节尽可能有效地发挥其作用, 让每一个学生认真完成课程设计, 我们对课程设计进行了改革, 在课程设计后期增加了答辩的环节, 起到了比较明显的改善效果。

1 答辩在《土力学与基础工程》课程设计中的实现

在布置设计任务时, 明确告知学生, 在课程设计完成后每个人都要进行答辩。任课老师向同学们介绍答辩的方式、流程, 并且强调, 答辩在课程设计成绩考核中占有相当大的比例, 答辩成绩不过关, 很可能就会导致成绩不及格, 而要想答辩过关, 就必须认真完成设计。这样做的目的是激发学生自觉学习、认真设计的积极性。

答辩一般在《土力学与基础工程》课程设计完成后的一两天内进行, 此时学生对整个设计也已经有了比较全面的认识。该课程的课程设计每个人单独完成一份, 因此老师需逐一进行答辩。在答辩过程中, 老师针对设计过程中各个环节所涉及的问题、使用的知识点, 分别对每个成员进行提问。答辩过程中, 老师要做好答辩记录, 以作为课程设计评分的依据。

考核的方式, 左右着学生的学习态度和学习方式, 成功的课程设计, 还应该探寻出一套成绩评定的最佳办法, 以起到激励和营造竞争气氛的作用。我们在具体实施中一般依据以下三方面进行考核:

(1) 设计说明书和设计图纸的完成质量, 占总分的40%;

(2) 答辩过程中的表现, 包括回答问题的准确度、应对敏捷程度等, 占总分的50%;

(3) 设计过程中的表现, 如出勤情况、设计态度、是否按进度要求完成设计等, 占总分的10%。

2 答辩在《土力学与基础工程》课程设计中的作用

我校传统的《土力学与基础工程》课程设计教学模式是在老师列举实例之后, 给出设计需要的基础资料, 然后要求每个学生独立完成课程设计, 根据完成的设计给出成绩。这种传统模式有许多弊端, 很多学生抄袭别人设计, 达不到课程设计真正的训练目的。而在课程设计过程中增加答辩环节, 可以起到以下几方面的作用:

第一, 答辩可以督促学生对相关知识进行复习, 提高教学质量。答辩是学生间、师生间相互交流的方式, 是教师检查设计品质量高低的有效手段。学生是不是自己认真完成了课程设计, 在答辩过程很容易辨别, 这样可以对那些自己不认真做设计的人起到一种督促作用, 有利于形成良好的学风和治学态度, 从而促进学生加强对所学专业知识的掌握, 使教学质量得到提高。

第二, 答辩可以培养学生的综合能力。在答辩过程中, 学生要介绍自己的设计思路, 要回答老师的问题。这有利于提高他们的表达能力、思维能力和应变能力, 还可以进一步提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。因此答辩是对学生综合能力的检验。

第三, 答辩有利于教师了解学生对知识的掌握情况。在答辩过程中教师能够详细了解学生对专业知识、设计步骤和方法的掌握情况, 发现设计过程中存在的问题。因此答辩提供了一次从整个专业教学过程上了解学生在前一阶段学习中, 掌握知识和能力提高的状况, 这为后续课程的教学, 提供了一个参考平台。

第四, 答辩有利于公正合理的评定课程设计成绩。答辩情况反映了学生对相关的通用标准和行业标准的熟悉情况和相关知识点的掌握情况。因此, 答辩成绩在课程设计成绩中占有相当大的比重, 更能够真实客观的反映出学生的实际水平。防止出现抄袭别人设计学生成绩比独立完成设计学生成绩高的现象。

3 答辩在《土力学与基础工程》课程设计的应用举例

以下将结合笔者的教学实践, 通过刚性扩大基础课程设计的答辩过程来展现答辩在《土力学与基础工程》课程设计中的应用。

刚性扩大基础课程设计包括拟定尺寸、作用效应计算、作用效应组合、基础验算、绘图等几项内容。

在答辩过程中, 老师对各项设计内容涉及到的知识点进行提问。对尺寸拟定的依据及尺寸拟定结果进行提问, 这问题要求学生熟练的掌握基础埋置深度的确定依据和基础尺寸拟定的相关要求;对恒载计算的提问, 让学生回顾了基础自重、基础上土重计算及水的浮力的处理;可变作用的计算要求学生熟悉《公路桥涵设计通用规范 (JTGD60-2004) 》中汽车荷载、汽车荷载冲击力与离心力、人群荷载、汽车荷载制动力、风荷载、流水压力、支座摩阻力等相关计算的规定和要求, 其中还要涉及到有关材料力学的知识;对作用效应组合的提问, 要求学生掌握基础验算中不同的验算内容需采用的组合内容;对地基承载力验算的提问, 要求学生要掌握土中附加应力及基底压应力计算、地基承载力确定;对基底偏心距验算的提问, 要求学生掌握偏心验算时应考虑的作用组合形式及满足的条件;对基础稳定性验算的提问, 要求学生掌握倾覆稳定性和滑动稳定性的最不利作用组合条件和验算方法;对沉降验算的提问, 要求学生掌握地基沉降计算的相关知识。如果学生选的设计资料是桥台刚性扩大基础, 还要求学生掌握土压力计算的相关理论和方法。

通过上述提问, 可以让学生熟悉行业标准和土力学部分的相关知识, 并巩固掌握, 同时也让学生掌握了基础设计的要求和步骤, 为以后的实际工作打下了坚实基础。

4 结论

在《土力学与基础工程》课程设计教学中有了答辩环节后, 学生对该课程的知识掌握情况普遍较好, 课程设计的质量明显提高。在后续的课程期末考试中, 学生不及格率大大降低, 成绩普遍提高。结束了以前学生反映的课程内容多而难学、不及格率高的现象。实践证明, 在《土力学与基础工程》课程设计教学中增加答辩环节, 非常有利于促进学风、提高教学质量、培养学生的综合素质。

参考文献

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