（淮安信息职业技术学院 江苏 淮安 223003）
摘要：针对高职教育压缩理论课时而教学内容并未减少的实际情况，将“工程力学”和“机械设计基础”两门课程的教学内容进行了优化整合。通过采用“并行”和“串联”方式进行授课，及时将“工程力学”课程知识应用到后续“机械设计基础”中，既节约了教学时数，又提高了教学效果。
关键词 ：工程力学；机械设计基础；课程优化整合；高职教学
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2014）07-0110-03
“工程力学”是机械类专业的一门专业基础课，研究工程构件最普通、最基本的受力、变形、破坏以及运动规律，为“机械原理”、“机械设计”等技术基础课和一些专业后续课程的学习打下必要的基础。原有“工程力学”课程内容包括理论力学和材料力学两大知识模块，“机械设计基础”课程内容则包括机械原理和机械设计两大知识模块。现在我们将“工程力学”和“机械设计基础”合并为一门“机械设计基础”课程，其中力学部分分配了约20学时，机械设计基础部分分配了约70学时（含6学时的实验）。这不仅考验教师的教学组织能力、授课方式及技巧，还考验学生的接受能力。如何在教学时数大幅减少，而教学目标和教学内容几乎没有变化的情况下，把这门整合后的课程上好，对教育工作者带来了很大挑战。近十几年来，笔者一直从事“工程力学”和“机械设计基础”等课程的教学，熟悉相关知识点之间的衔接，针对学时减少等课程整合后的问题，试着对授课方法作了一些调整，对授课内容顺序进行了优化整合，对相关知识点作并行讲授，收到了理想的教学效果。
两课程的教学内容分析
（一）工程力学
机械类专业的“工程力学”课程教学主要是为后续课程“机械设计基础”服务的，机械设计中用到的设计理论都是源于工程力学中材料力学部分，而材料力学的学习又必须以理论力学为基础，所以理论力学的静力学概念和公理、受力分析、力系及平衡是机械设计的必备知识。材料力学中的材料力学基本概念、杆件变形基本形式、轴向拉伸与压缩、剪切与挤压、扭转变形、弯曲变形及弯扭组合变形这些内容，在机械设计中是必不可少的，所以这些内容也是必要的教学内容。
（二）机械设计基础
“机械设计基础”课程主要是培养学生学会机构原理分析、传动参数计算及典型零件的设计或选用，为学习后续机械制造技术和机械制造工艺等专业课程进行必要的知识储备。机构自由度、平面连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构、带传动、齿轮传动、轮系、螺纹联接和键联轴、轴承等内容都是必须学习的知识点。
两课程知识点的关联性分析
（一）工程力学各知识点之间的关联分析
“工程力学”课程各知识点之间是密切关联的：（1）静力学概念，这部分内容主要是对力学中相关名称的规范性定义或描述，是力学工作的“语言”，它贯穿整个力学教学和学习过程，是后续力学课程各章节的基础知识。（2）静力学公理，揭示了作用在物体上各个力之间的内在规律，是前人总结出来的规律，学习它后可以对物体进行正确的受力分析。（3）受力分析，主要介绍构件的受力分析步骤及方法。受力分析贯穿工程力学的始终。教会学生进行正确受力分析技巧在工程力学教学中显得尤为重要。（4）力系及平衡，这部分知识主要揭示在平衡状态下，作用在物体上各作用力之间存在的内在联系，为建立各个作用力之间的关系提供理论支持，进而可以利用平衡来分析和求解作用在物体上未知的力。它是我们由已知世界探索未知世界的连杆。（5）材料力学基本概念、杆件变形基本形式，是材料力学基础知识，为我们研究材料变形、受力分析提供了方法。（6）轴向拉伸与压缩、剪切与挤压、扭转变形、弯曲变形及弯扭组合变形，揭示了工程中或机械中构件最基本的变形规律、强度校核和尺寸设计方法，是后期机械零件设计的理论依托。由以上分析可见，工程力学各部分知识点之间的关系如图1所示。
（二）机械设计基础各知识点之间的关联分析
“机械设计基础”课程各知识点之间是密切关联的，共同构成一个有机的整体：（1）机构自由度是分析机构和机器运动情况的理论基础。我们设计的机构或机器一定要按照人为设定的轨迹运动，既然这样，大多数运动装置设计时就要先进行自由度计算。若自由度和机构的主动件的数目相同，则该装置就能按照设计的轨迹工作，否则该机构根本就不能动或运动过自由。（2）平面连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构是机器中常见的基本机构，复杂的机构和机器一般是由这些机构组成的。（3）带传动、齿轮传动、轮系是机器中常见的传动系统，设计机械时也要进行传动系统的设计。（4）轴是机器中重要的零件。轴是用来支撑机器中回转零件的，是整台机器的核心。（5）轴承也是机器中重要的零件，它是用来支撑轴的，以保持轴的回转精度。（6）联接是介绍机器中零件之间最常见的联接方法，在机器选用某一型号的此类联接时要进行轴向拉伸、挤压强度或扭转强度计算。
所以，我们在教学过程中，通过设计一整台机器将上述各知识点相互关联起来，其相互关系如图2所示。
（三）两课程各部分知识点的关联性分析
“工程力学”和“机械设计基础”两门课程之间，有许多知识点具有很强的关联性：（1）“机械设计基础”在进行机构自由度分析时，运动副的类型和工程力学中约束类型及性质有关联。（2）平面连杆机构的识图、连杆机构特性分析时压力角和传动角的确定和工程力学中的受力分析有关联。（3）凸轮机构和间歇运动机构特性分析和工程力学中受力分析有关联。（4）带传动、齿轮传动、轮系的设计所依据的是工程力学的受力分析、力系及平衡、强度计算。（5）螺纹联接和键联接和工程力学中的受力分析、轴向拉伸与压缩和剪切与挤压强度计算密切相关。（6）轴设计要进行受力分析、扭转强度设计及弯扭组合强度校核无不与工程力学相关。（7）轴承的失效分析是利用工程力学中的受力分析来进行的。
两课程教学内容的优化整合
基于以上对每门课程各个知识点及两课程之间各知识点关联性的分析，将各部分内容按照图3方式进行教学优化整合。
首先，以静力学概念和公理作为基础，将“工程力学”课程受力分析、力系及平衡两部分知识点与“机械设计基础”中机构自由度、平面连杆机构、凸轮机构及间歇运动机构知识并行到一起。学生先学习受力分析和力学及平衡部分知识，再学习机构自由度、平面连杆机构、凸轮机构和间歇运动机构等知识。
其次，因“机械设计基础”中的联接部分需要进行挤压强度、剪切强度、轴向拉伸与压缩强度计算或考虑弯曲变形和扭转变形部分的知识，所以需要“工程力学”的轴向拉伸、剪切与挤压、扭转变形和弯曲变形等知识作为铺垫。
再次，齿轮传动、轮系及带传动需要以受力分析、强度理论、机构自由度、平面连杆机构等知识为基础，所以应将这部分知识放到后面讲授。
最后，轴及轴承用到力系及平衡、扭转变形、弯曲变形、组合变形等知识，所以将这两部分知识安排到组合变形后面学习比较合理。在讲组合变形强度理论后就讲授轴的知识会收到较好的应用效果。
优化整合教学与传统教学效果比较（以我院机械制造与自动化专业为例）
机械设计基础总教学时数90学时，其中力学部分占20学时，机械设计占70学时。传统讲授顺序是先用20学时将力学内容全部先讲完，然后再花70学时从机械设计原理讲到机械零件设计。传统教学方式，在实施过程中经常会出现以下情况，即讲零件设计时用到的受力分析学生已经感觉很陌生，老师不得不又花时间将前面的知识点再请出复习一下。本来在这种教学方式下，教学时数就相对紧张。再经常花时间去温故知识点，这就让教学时数显得更加吃紧。这种现象导致的结果就是老师不停的赶进度，学生来不及消化就匆匆学习新章节。
如讲光滑接触面约束时，大概10分钟讲授，20分钟举例，讲这部分内容学生很容易理解和接受。但到后续机械设计课程中学习平面连杆机构传力特性时，要用到这部分知识，这距离上次这部分内容学习间隔至少一个月了。学生已经对光滑接触面约束力特点显得很陌生了。那么老师就得先花大概5分钟的时间去复习，然后用20分钟左右去讲压力角和传动角概念，接着再用30分钟时间去举例讲授或练习各种平面连杆机构压力角和传动角的分析。共用时85分钟。
经过优化组合后，光滑接触面约束刚讲完，就讲平面连杆机构的压力角和传动角概念，大概需用时间25分钟，然后就以平面连杆杆机构为例，练习光滑接触面约束力的方向分析、压力角和传动角分析，大概用时35分钟。这种方式共用时60分钟。
通过比较，优化整合教学可节约25分钟的教学时数。不仅如此，通过现学现用，学生做到了对知识点及时消化、吸收和应用。
这种优化整合式教学效果还可以从以下表格数据中得到启发（以2011级制造专业1班和2班为例）。
由上表不难看出，优化整合不仅在教学时间上显得宽裕，而且学生在课程堂上就能将学习内容消化吸收，及时应用，学习效果明显优于传统教学方式。
综上所述，“工程力学”和“机械设计基础”是紧密联系的两门课程，将各部分知识优化整合，不仅能节约教学时数，还能增强教学效果，为后续其他专业课程的教学奠定扎实的基础。
参考文献：
[1]陈思义.高职工程力学课程有效教学方法探讨[J].职业技术教育，2011（20）：44-46.
[2]欧阳曙光.工程力学与化工设备机械基础课程整合[J].广州化工，2011（39）：169-170
[3]王燕楠.材料力学中提高综合素质的三点教学措施[J].中国科技创新导刊，2010（16）：71.
[4]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．
【关键词】工程力学；教学；工程应用；能力培养
引言
高职教育即以适应社会需要为目标，培养技术应用型人才，毕业生应具有基础理论知识适度、技术应用能力强、知识面较宽、素质高等特点。这就要求教师要以“应用”为主旨和特征构建课程和教学内容体系[1]。尤其是工科学科更应体现以工程应用为中心，教师要引导学生发掘生活中的应用实例，善于鼓励和引导学生独立思考、大胆创新，培养学生敏锐的反应和思辨能力。为了保障工程力学课程教学质量，突出应用型人才的培养目标[2]，我从受力分析、概念导入、梁的弯曲、轴的扭转、脆性材料的性能几个方面进行工程应用式教学模式探索，积极改进教学方法，力求提高教学质量，增强教学效果[3、4]。
1.课程体系分析
1.1 理论力学与材料力学的关系
工程力学课程分文两大部分，理论力学部分和材料力学部分。前者为后者提供解决问题的思路和方法，后者解决工程构件的应用问题，即保证构件在应用中的强度、刚度、稳定性安全。
1.2 静力学的主要内容
静力学主要研究构件的受力分析及平衡条件，建立平衡方程，求解未知的约束反力，其中受力分析及受力图是学习的重点和难点。静力学为材料力学的学习建立必要的理论基础和研究方法。
1.3 材料力学的主要内容
材料力学中主要研究构件的拉伸（压缩）、扭转、剪切、弯曲四种基本变形及其组合变形，并分析各种变形条件下构件的内力、强度及刚度的计算方法，为将来设计安全合理的构件奠定理论基础。
同学们只有理清工程力学中的相关知识脉络，掌握规律，从本质上理解，提升认知，才能使知识融会贯通，浑然一体。
2.课程教学中工程应用能力的培养
2.1 受力分析能力的培养
在整个力学学习中，物体的受力分析是学习的重点和难点，它贯穿整个力学学习的始终。受力分析是通过受力图来表达的。而受力分析就是要在受力图中标出所有的主动力和约束反力。主动力是已知的，只要按照构件的实际受力情照搬；关键的是要正确地表达约束反力。因此，掌握常见的约束及其约束反力表达方法就是学习的重点。在讲解约束以及约束反力时，让大家找出各种各样的约束实例，比如教室的白炽灯、电风扇的约束，座椅板凳的约束，挂在墙上的黑板的约束，教室门扇与门框的约束，马路上的电线杆的约束等等，进而启发同学们自行分析各种约束产生的约束反力，最后总结各种约束及其反力的表示方法。在物体的受力分析中，只要针对该物体的约束情况，对照前面总结的约束反力的表示方法对号入座，受力分析这个难点问题很容易得到解决。
2.2 概念导入中引入工程应用实例
在工程力学课程教学中，我们首先让学生选择自己感兴趣且与课程教学内容相关工程的实例，结合教学内容进行独立探索。比如在讲授力矩基本理论时，首先提出相关问题：分别用大、小板手拧紧同一螺母，哪个更省力？学生的答复是显而易见的，接下来提出为什么，从而引出力矩的概念。这样就加深了学生对力矩概念的理解，学习兴趣也就会大大提升。又比如讲到有关应力的内容时，可以提出这样的难题：两根长度相同，材料相同，截面均为圆形的杆件，直径不一样，一粗一细，假设两端用同样的力拉伸，当外力逐步增加时，两根杆的轴力是否相同？哪一根杆先断？因此我们就可以水到渠成地引出应力的概念。
2.3 梁的抗弯能力中工程应用能力的培养
在讲授梁的抗弯能力时，同学们知道梁在弯曲时，弯曲正应力沿截面高度呈线性分布，最大正应力发生在离中性轴最远的上下边缘处。梁的最大正应力等于梁的弯矩除以梁截面的抗弯截面模量。在讲授了矩形截面梁的抗弯截面模量的计算公式后，我们让同学们观察教室屋顶承重梁的放置位置，同学们发现，教室屋顶承重梁是钢筋混凝土矩形截面梁，梁的放置位置是高度方向尺寸大于宽度方向尺寸。于是让他们讨论：若将梁倒放（即高度方向尺寸小于宽度方向尺寸），则梁的应力的变化情况。经过分析计算，最后得出前后两种放置方法中，梁的正应力比值等于梁的矩形截面的宽度与高度的比值。于是他们知道第一种放置方法安全合理。同时他们也明白了在工程施工中，要严格按照图纸施工，绝不可随意改变工程构件的安放位置，否则，本来安全的构件就有可能变得不安全。
2.4 轴的抗扭能力中工程应用能力的培养
在讲轴的抗扭能力时，为了分析轴的截面形状对其抗扭能力的影响，引入以下问题让同学们讨论：相同材料的实心圆轴和空心圆轴承载相同扭矩时，求所需圆轴的横截面积的比值。同学们很快得出在承载能力相同的条件下，采用空心轴更为经济的结论。这也就解释了在工程中经常采用空心轴的原因。
同样，在讲授圆轴的扭转时，让同学们分析，输入轮和两个输出轮在轴上的排放位置如何放置才会合理？同学们经过探索，发现将两输出轮放置在输入轮的两边比将两输出轮放置在输入轮的同一边更为合理
2.5 脆性材料的性能中工程应用能力的培养
脆性材料的抗压能力大于抗拉能力。铸铁是典型的脆性材料，由于其造价便宜，性能良好而被广泛地应用于工程中。在讲述铸铁的抗压能力大于抗拉能力时，让学生们思考，对于铸铁梁，为了充分利用材料，应如何设计截面形状？同学们经过分析比较，认为将截面做成与中性轴不对称的形状（如T字形截面），并使中性轴尽量靠近受拉的一侧，则梁在弯曲中可使梁的最大拉应力和最大压应力同时接近许可应力，从而最大发挥材料的性能，减轻构件重量，降低工程造价。
3.结束语
通过引入工程实例教学，不仅使学生掌握了力学问题的分析方法和计算方法，同时让他们理解了工程应用中的力学现象，这对于他们将来走上工作岗位，不管是搞工程设计还是工程施工，都能很快地进入角色，胜任工作。
参考文献
[1]邹冬平等.小议《工程力学》课程教学[J].职业教育分析,2008(2):76-77.
[2]孙翠娥.《工程力学》教学研究与实践[J].职业教育分析,2009(6):85-86.
[3]罗逊谊.浅谈工程力学课程的教与学[J].职业教育分析,2007(10):159-160.
关键词： 静力学；常见问题；受力分析；物体系统；平衡计算
中图分类号：G642 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）04-0185-010引言
《工程力学》作为大学工科专业的一门专业基础课程，对于专业的学习起着举足轻重的作用。这门课程包括两个部分：前半部分是《理论力学》中的静力学部分，后半部分是《材料力学》部分。对于学生，这门课程是他们所有大学课程中最为头疼的课程之一。这里的主要原因其实是他们没有真正了解这门课程的真谛，如果能认真分析其知识结构，完全将课程中存在的常见问题融会贯通，将会发现学会这门课程并非难题。在这门课程中静力学部分是基础，因此必须认真学好。本文就静力学常遇的两类问题进行了研究分析。
1静力学教学中常见问题分析
第一类问题：受力分析问题。
解决这类问题其实很简单，首先确定研究对象，并且取脱离体；其次要确定并且画出作用在研究对象上的全部主动力；最后根据约束类型分析、确定并画出研究对象上的全部约束反力。这里最主要的是研究对象的确定和约束类型分析，这类问题一定要注意二力体问题和三力汇交平衡问题，以一道常见例题来分析：
例1：图（a）中不计三铰拱桥的自重与摩擦，画出左、右拱AC、CB的受力图。
解：先分析约束类型：A、B两点均为固定铰支座，C点为光滑铰链约束。
第一步，取拱CB的受力。拱CB自重不计，且只在B、C两处受到铰链约束力FB、FC和FC的作用，因此，拱CB为二力构件，FB=FC，如图（b）所示。
第二步，再取拱AC为研究对象。拱AC上作用有主动力FP，在铰链C处受到拱BC给它的反作用力F■■=-F■，以及受到固定铰支座A的约束力FA的作用。FA可以用一对正交分力FAx、FAy来代替，如图（c）；也可利用三力汇交定理判断出其作用线方位，如图（d）所示。
第二类问题，物体系统平衡问题分析。
这类问题是在受力分析之后遇到的。要解决这类问题，先取研究对象进行分析受力，再研究是否有静定结构，由于静定结构可以列出三个平衡方程，可以根据利用已知条件求出相应的三个未知条件。
例2：如图2（a），复合梁ABC由悬臂梁AB和简支梁BC组成，梁上作用有均布载荷，载荷集度为q。试求固定端A和活动铰支座C的约束力。
解：分析复合梁受到4个外部约束力，分别为A点固定端约束的FAx、FAy、M以及C点的活动铰支座的FC。虽然以整体为研究对象可求出A处水平约束力，但对后续求解帮助不大。需要从整体中选择单个刚体为研究对象。
如图2（b），BC只受三个约束力作用，即B点的光滑铰链产生的一对正交力和C点活动铰支座的竖直方向的力。因此首先以BC为研究对象。考虑其对点B的力偶矩的平衡。可以求出FC。
∑MB=0a·FC-0.5a·qa=0，FC=0.5qa
再考虑整体平衡，受力如图2（c）。依次列出整体的三个平衡方程，求出相应的三个未知力，即A点固定端约束的FAx、FAy、M。
∑Fx=0FAB=0
∑Fy=0FAy+FC-2qa=0，FAy=1.5qa
∑MA=0M+3a·FC-2a·2qa=0，M=2.5qa2
2结论
通过上面两类问题的研究分析，可以得出：
①力学问题中的研究对象至关重要，因此必须选择合理的研究对象；
②单个物体的受力分析必须正确，否则将会给后期的平衡计算造成障碍；
③在进行物体系统平衡计算时，必须先选择合理的静定结构入手，才会使计算简单化。
参考文献：
[1]工程力学.韩立朝，彭华编著.武汉大学出版社，2010.07.
【关键词】船舶工程；力学问题
中图分类号：F407文献标识码： A
一、前言
在船舶工程的建造中，有很多需要关注的问题，其中，船舶工程建造的力学问题就是一个关键问题，所以，分析船舶工程的力学理论和要点非常有必要，这是提高船舶建造水平的重点。
二、工程力学的发展
1、工程力学的特点
工程力学虽然还处在萌芽阶段，很不成熟，而且继承有关老学科的地方较多，但作为力学的一个新分支，确有一些独具的特点。工程力学着重于分析问题的机理，并借助建立理论模型来解决具体问题。只有在进行机理分析而感到资料不够时，才求助于新的实验。
工程力学注重从微观到宏观，以往的技术科学和绝大多数的基础科学，都是或从宏观到宏观，或从宏观到微观，或从微观到微观，而工程力学则建立在近代物理和近代化学成就之上，运用这些成就，建立起物质宏观性质的微观理论，这也是工程力学建立的主导思想和根本目的。
虽然工程力学引用了近代物理和近代化学的许多结果，但它并不完全是统计物理或者物理化学的一个分支，因为无论是近代物理还是近代化学，都不能完全解决工程技术里所提出的各种具体问题。工程力学所面临的问题往往要比基础学科里所提出的问题复杂得多，它不能单靠简单的推演方法或者只借助于某一单一学科的成就，而必须尽可能结合实验和运用多学科的成果。
2、研究内容和方向
工程力学主要研究平衡现象，如气体、液体、固体的状态方程，各种热力学平衡性质和化学平衡的研究等。对于这类问题，工程力学主要借助统计力学的方法。工程力学的研究工作，目前主要集中三个方面：高温气体性质，研究气体在高温下的热力学平衡性质（包括状态方程）、输运性质、辐射性质以及与各种动力学过程有关的弛豫现象；稠密流体性质，主要研究高压气体和各种液体的热力学平衡性质（包括状态方程）、输运性质以及相变行为等；固体材料性质，利用微观理论研究材料的弹性、塑性、强度以及本构关系等。
工程力学研究方向主要有：非线性力学与工程、工程稳定性分析及控制技术、应力与变形测量理论和破坏检测技术、数值分析方法与工程应用、工程材料物理力学性质、工程动力学与爆破。
三、船舶工程中的主要力学问题
1、船舶的稳定性
当船的水面线以下部分产生的浮力等于船（及载物）之重量时，船将浮于水面。对船舶首要的要求是它能浮于水面而且在风浪作用下不倾倒和进水，也就是对船提出了稳定性的要求。船舶的倾斜（或倾倒）分侧倾和纵倾两种，其分析方法是一样的。以侧倾为例，当侧向风浪使得船受到一侧倾力矩的作用而使船有侧倾趋势时，例如产生了一个倾角沪，这时候浮力中心位置会朝倾倒的一方偏移，因而浮力与重力作用线之间有了一段距离拭树，称创司为稳定性力臂。
当稳心高于重心且浮力与拭司的乘积构成的恢复力矩大于倾倒力矩时，就是稳定的；否则就是不稳定的，会使船倾倒。船舶的稳定性分析就是要分析浮心与稳心随着倾角的变化而变化的稳定性力臂曲线，分析什么倾角会引起倾倒以及设计船型时如何尽量增大允许的倾角。
2、船舶的推进和阻力分析
提高船舶航行的速度和操纵的灵活性，是船舶设计尤其是军用船艇追求的目标。船舶的推力来自船的推进器给水施加作用力从而获得水的反作用力。目前较先进的推进器是由柴油机（或由核能带动的动力）带动的水下轴流式螺旋桨（比桨槽与明轮先进），因为螺旋浆的阻力最小，效率最高。船舶的推力最大值是一定的，当速度提高时，阻力也不断提高，直到阻力达到推力值时，速度再也提高不上去，因此任何一艘船都有极限速度。如航母等排水型船航速25-30节（注：1节=1nmile/h），滑行艇（如导弹快艇等）30-50节，水翼艇40、70节，气垫船40-140节，地效翼艇40-300节。船舶的阻力是制约速度提高的主要原因，阻力来自水阻和气阻，水阻主要是旋涡分离阻力、摩擦阻力和兴波阻力。旋涡分离阻力是由于高速行驶的船舶尾部涡旋与船尾分离以及推进螺旋桨尾端空化而造成的前后压力差产生的。这种阻力只在高速和赫性流体中才存在。
3、船舶与海洋结构物在波流作用下的水动力学问题
此类问题的研究目标是分析船舶与海洋结构在波浪与海流昨用下的响应和安全性问题。研究内容包括以下几个方面：
（1）波浪理论
为了估计作用于结构物的波浪力（力矩）的载荷，主要采用正弦波理论和斯托克斯有限振幅波理论。前者计算简单，可应用于谱分析计算；后者考虑了波浪的非线性，主要应用于设计波法计算。
（2）水动力和运动方程的研究
水动力问题主要研究结构整体或局部构件在波浪等载荷作用下，由于加速度引起的惯性力、惯性力矩，由于运动引起的阻尼力、阻尼力矩以及与位移有关的恢复力、恢复力矩；波浪力和力矩；海流作用力和力矩。主要用于建立准确的水弹性运动方程。
（3）结构物的运动
主要是指船体和浮式结构物在浪、流作用下的三种运动（垂振、纵摇和横摇）以及与波高平方成正比的二阶力造成的结构物的长周期运动。
（4）在生存条件下结构物的安全性
除了上面讲到的船体稳定性外，尚有结构的耐波性、抗振动和抗疲劳破坏等性能。
对于以上问题的研究方法大致分为分析法、计算法、实验法3种。分析法有设计波法、设计谱法、非线性时域分析法和随机线性响应法，用来探讨结构物在波浪中的性能。设计波法是用假想的等效规则波（如上文提到的正弦波）代替实际不规则的波，只要保证基波周期和振幅一致即可。设计谱法是采用谱分析的方法，从长期海浪统计资料中求出最大波的有效波高与周期来确定设计谱，再求出结构的响应谱进而确定响应的极值。时域分析法是通过系统的脉冲响应函数和输入的时间历程求输出时间历程。随机线性响应法基于线性叠加原理和概率统计原理。它是一种非确定性方法，关键是要建立准确的长期统计的波浪资料或样本。计算法主要是指有限元法求水动力和运动响应或结构的响应。实验法分构件实验、模型实验和实体实验。
四、船舶力学计算步骤简析
为保证结构强度分析的结果的准确以及结果的安全可靠，结构强度力学分析必须有严格的分析过程。通过结合自身对各种情况的直接计算经验以及参照通用力学分析计算过程，直接计算法力学分析步骤可归纳为如下内容：
1、分析结构情况或用途。必须首先明确结构的实际结构情况或者其用途，包括结构所处的区域，结构的参数及样式等，为后续的模型简化及材料属性定义做准备；
2、分析结构受力情况。分析受力区域结构的受力情况或者根据结构的用途来分析结构的受力，同时对其受力参数如受力大小，力臂长度等数据采集备用；
3、建立并简化受力模型。这是最重要的步骤，根据受力结构自身机构的实际情况，根据安全系数偏大的原则，简化成的受力分析较简单的一般力学模型，如简支梁，悬臂梁，固支梁等；
4、加载受力并求出结构的剪力图及弯矩图。此为正式计算分析过程，根据受力的情况以及简化后的力学模型对结构进行计算，计算结果梁的剪力图及弯矩图，并对其中的峰值进行计算，得出结果备用；
5、对危险截面进行强度校核。通过弯矩及剪力图，找出弯矩及剪力图的突变截面，运用一般的材料力学方法对该区域的拉、压应力以及剪切应力进行计算，再根据强度理论和一定安全系数进行结构强度判断；
6、确定合适的截面或采取适当加强措施。根据上步的判断结果，确定该结构是否符合结构强度要求，对于不满足的要采取一定的加强措施或或者改变结构自身属性；
7、重新校核或确定方案。对不符合强度要求的结构加强或者改变结构自身属性后，重新按此程序进行强度校核计算。对于满足强度要求的，计算过程结束。
五、结束语
综上所述，要想进一步提高船舶工程力学的科学性，一定要首先探讨力学的相关原理和建造过程中的合理利用问题。同时，采取合理的措施，科学使用力学原理，提高船舶建造的质量。
【参考文献】
[1]刘建峰 王旭东 周宏.基于Delphi的非均匀B样条曲线在船舶工程中的应用[J].华东船舶工业学院学报.2011(02).36
关键词：数值仿真；工科课程；应用研究
数值仿真是一类基于计算机求解，针对实际工程问题采用仿真模拟，从而进行数值实验的方法，已成为与实验研究、理论研究相并列的研究科学问题的必备方法。基于数值仿真，可通过图像显示所研究问题发生的物理、化学过程，如天气预报中，即可通过计算机仿真的方式预测某地区的温度变化过程，具有直观性强、成本低、可研究问题范围广的优点。如今，数值仿真方法已被应用于力学、机械工程、能源动力工程等工科类专业课程教学中，为复杂或不易开展的实物实验提供数值实验途径，加深学生对课程中复杂的物理、化学原理的理解。
一、数值仿真应用于工科类课程理论教学的具体方法与特点
数值仿真是利用数值计算原理与计算机求解技术开发出的现代科研方法。基于所求解问题的物理、化学原理，采用有限元等数值分析方法，将连续的物理、化学问题离散求解，获取所求解对象的物理、化学量分布特性。目前，数值仿真方法广泛应用于科学研究，如高温燃烧热场的温度分布、高超音速流动的流场压力分布、天气温度预测等。在工科类课程教学中，由于理论、概念多，物理、化学过程复杂，常制约着学生的理解，而数值仿真方法可通过图像显示的方式展示所研究问题发生的物理、化学过程，具有可操作性强、结果显示直观的特点，因此，可将数值仿真方法引入工科类课程教学，提升学生对课程知识的理解。一般的数值仿真过程分为预处理、求解、后处理三部分，学生在掌握基本数理知识的基础上，即可理解数值仿真的基本流程。在预处理中，需建立所分析问题的几何模型，并给定求解条件。例如，分析钢结构塔在承受一定重量时是否具有足够的强度，需首先基于分析软件建立钢结构塔的外形几何模型。在求解环节，基于数值计算方法，利用分析软件中求解仿真模型以获取需掌握的物理、化学量。在后处理环节，完成分析结果的可视化，以图像形式直观展示分析结果，如天气预报中展示的温度云图，即是后处理结果。在工科类课程中，涉及大量有关物理、化学现象的理解，而某些环节无法通过直观实验复现，也无法通过理论分析获得结果，对学生的理解带来困难。例如，在锅炉设计中通过改进折焰角的尺寸，即可优化锅炉炉膛内部的燃烧热场，而炉膛内部燃烧的温度无法通过理论计算获取，也无法直接进行实验测试，但可基于数值仿真获取其燃烧温度分布图，直观展示折焰角尺寸调整对热场分布的影响，有利于学生通过实践操作，获取分析结果，加深理解。
二、数值仿真应用于理论教学的具体实例———材料力学弯曲应力求解教学
材料力学是机械、土木、能源等工科类专业的必修专业基础课程，是结构设计的必要基础，基于材料力学基本原理，可分析部件的强度、刚度及稳定性，为工程结构设计提供指导。材料力学中的杆件弯曲问题是重要的教学知识点，当矩形截面杆件受弯时，杆件横截面上的正应力呈线性分布，在横截面上、下边缘正应力最大，在中部中性轴处最小。在理论求解中，需首先根据给定约束条件与外部受力特点，分析杆件受到的弯矩，然后利用理论公式求解正应力。弯曲应力求解为材料力学中的重点与难点内容，区别于杆件的轴向拉压与扭转问题，弯曲问题的应力分布更复杂，学生在学习时不易获取直观理解，故可借助数值仿真方法。利用受力求解的数值仿真软件，在预处理环节，首先建立杆件的几何模型，根据求解要求设置约束，其后在给定位置施加受力，最后，指定杆件所使用的材料并由数值仿真软件自动完成求解。该问题为静力学求解问题，求解精度较高。在完成求解后，进入后处理环节，在该环节可通过软件直接显示梁在弯曲作用下的变形，也可以通过图像显示梁的应力分布。藉此，直观清晰地向学生描述了相关力学概念，展示了复杂的受力情况，使学生对课程理论学习产生更直观的认识，既提升了学习兴趣，又进一步加深了对课程内容的理解。
三、数值仿真应用于理论教学的结论
[关键词]材料力学 案例教学
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）12-0159-02
材料力学课程是研究工程结构或机械的各组成部分正常工作条件下，所应满足强度、刚度和稳定性条件的一门专业技术基础课程，既是后续课程的重要理论基础，又可以直接解决一些基本的工程实际问题。在教学中如何提高教学效果，培养学员的工程意识和解决问题的综合能力，是教员一直努力的方向。本文首先分析材料力学教学的现状和案例教学的优势，然后结合课程内容，从生活、运动、工程、装备中选择案例或实例的做法。
一、材料力学教学的现状
（一）专业需求
作为专业基础课的材料力学课程教员，要树立基础服务专业的理念，有必要列举专业课中的实例进行分析，布置作业时也可以结合武器装备课程中的零部件，进行适当的强度、刚度和稳定性分析。这可以让学员直观感受到力学理论的实际应用，从而激发学员的学习兴趣，调动其学习的主动性。
（二）教材不足
我们的教学对象是从学校到学校的二年级大学生，没有任何工程背景和装备知识，更谈不上经验，所以学习的理论和实际是脱节的，学员感到理论枯燥乏味，作为教员有责任将抽象的理论知识与工程实际问题有机地结合起来，还原教材中简图的实际原貌，使学员对力学知识的用途有更深层的认识，也有助于提高学员的力学建模能力。
（三）学习效果
学员目前完成作业的状态，主要停留在简单的套用公式上，因此学员觉得没有必要做，完成时也不认真，稍难一点就去找习题答案看，而不去动脑思考，有的学员甚至拿来抄，显然这很难达到巩固所学知识和方法的效果。作为教员有责任通过多种途径收集整理具体实际问题，供学员进行分析，真正达到举一反三的效果。
二、案例教学在材料力学教学中的重要性
案例教学近年来对我国的高校教学改革具有重要的推动作用，在很多课程的教学中都开展了案例教学。[1] [2] [3]材料力学的发展遵循着人类认识自然界的规律，从实践到理论，再回到实践，因此案例教学是将材料力学理论与实际紧密结合的有效教学形式之一。[4]
因具体案例本身有着实际的工程、生活背景，首先能够吸引学员的注意力，想要搞清楚事故的原因，学习也就由被动变主动了;然后建立力学模型，分析所需理论知识，听起来也就不再那么枯燥了;最后用理论定性或定量来分析事故的原因，学员也就会有一种出乎想象、原来如此的感受。学员从案例分析的过程中，不仅感受到材料力学理论不再抽象，真正做到系统掌握理论知识，达到灵活运用的教学目的，还可以从案例中吸取经验教训，逐步树立问题意识，养成思考习惯。
案例教学不仅激发学习兴趣，其分析也不再是停留在公式的简单套用上，而是要将实际问题抽象为力学模型，强调在实践中抓主要矛盾而略次要矛盾的思想，很好地弥补了教材例题和习题的不足。另外，案例的合理选择也可以服务于专业，所以说案例教学可以达到一举多得的效果。
三、材料力学案例的选择
（一）生活型案例
基本变形内容是材料力学课程中后续组合变形等内容的基础，讲完这部分内容后，可将空调外机支架的安全性问题分析布置给学员完成，让学员自己查找空调外机和支架坠落伤人的事件，提出问题，分析归纳原因，并给出分析报告。讲到压杆稳定时，请学员看银枪刺喉的视频，认真观察、思考其与所学内容的关系，建立力学模型并定性分析，理解杂技是一种精心设计的演出，其中包含一定的力学原理。
现在新闻中经常会报道司机由于酒驾造成的交通事故，为了让学员能有理性的认识，可列举2014年某市一司机酒后开车撞到人行道上碗口粗树上的案例，对保险杠的强度进行分析。
通过分析生活中的案例，学员体会到力学就在我们身边，从而逐步养成善于观察的习惯。例如有的学员就提出学术报告厅、教室里投影仪的悬挂构件的受力、变形、应力等问题。
（二）运动型案例
学员都是十八九岁的年轻人，喜欢运动和刺激，讲到动载荷时，播放2011年12月31日，津巴布韦一位蹦极者由于安全绳索断裂，坠入波涛汹涌的“鳄鱼河”中的视频，还有安全绳索未断但由于太长，蹦极者被鳄鱼咬掉头的视频，通过建立力学模型，分析事故的可能原因，课后请学员自己上网查找蹦极设施中绳索的要求和规格，理解蹦极时的注意事项。最后让学员选一项自己喜欢的项目，建立抽象力学模型，应用材料力学知识来做定性分析。
军校学员每天都要有一定的体能和军事训练，一些受伤时有发生。在400米障碍训练中，学员很容易腿受伤，列举医学上小腿骨折的三种类型：单纯性骨折、粉碎性骨折、开放性骨折，从强度不足的角度定性分析骨折原因，然后结合训练中的体会，从力学的角度总结科学训练的要点，为学员减少训练中的受伤提供一点帮助。
通过分析运动型案例，学员会感受到力学的魅力所在，也就更加喜欢力学。有的学员还可以还原教材上外伸梁受集中载荷的实例，正是每天都要训练的双杠，然后查阅资料进行分析，真正达到学以致用的效果。
（三）工程型案例
随着社会的发展，科学技术的进步，环境的保护，过去给人们带来方便的高大烟囱，由于烟尘的直排造成一定的环境污染，需要对废旧烟囱进行拆除。讲到动载荷内容时，播放国内外拆除烟囱的视频，请学员观察倒下过程，注意二次折断的现象，建立抽象力学模型，指出涉及的相关知识点，并定性分析其原因。
讲到提高梁弯曲强度措施时，列举某展览馆工程曾因梁内漏放附加的钢筋，承载能力不够，当附加荷载，比如隔墙的空心砖砌上后，梁上出现裂缝，引起砖墙裂损坍塌的案例，分析在钢筋混凝土梁中钢筋的关键作用和钢筋的合理配置，理解设计和施工中按照严格的规范要求去做的重要性，否则就会酿成严重事故。
近两年学院内先后进行了训练中心、综合教学楼和学员宿舍楼的建设，一些施工设备就在工地，如打桩机、脚手架、塔吊等，是学员很好的学习机会。我们和工地负责人联系，在保证安全的情况下，带领学员到现场参观，请工程技术人员介绍一些和力学相关的结构和设备的特点及施工时的注意事项，学员感受到了力学的广泛应用，也对施工人员充满了敬意，结束后要求学员在学习的过程中自行选择一个相关题目进行建模分析。
（四）装备型案例
材料力学课程开设在大学二年级，学员没有专业背景，但二年级学员在新生军训时都打过枪，因此列举部队射击训练或试验中，弹壳、击针出现的实际现象分析。比如讲拉压变形时，分析弹壳出现横断的原因;讲应力状态时，分析弹壳纵裂、炸壳的原因;讲动载荷和稳定性时，分析击针出现折断或弯曲变形的原因。
结合装备热点问题，收集相关例子分析。比如，2012年11月23日，舰载机飞行员驾驶国产歼-15舰载机首次成功降落航空母舰“辽宁舰”，标志着我军突破了滑跃起飞、阻拦着舰等飞行的关键技术。着舰时舰载机的拦阻钩连杆作为其中的主要承力构件，需要有足够的强度，因此讲到组合变形时，请学员观察图片，分析连杆的受力，推测连杆横截面的形状，课后请学员查阅资料，和实际的拦阻钩连杆进行对比分析，理解设计的理论依据。
根据教学进度和学员的专业，和专业教研室联系，带领学员参观相关专修室，有针对性地观察零部件，比如观察履带板的构造和连接，并特别提醒学员注意有的履带板中有橡胶衬套，有的则没有。这样讲到剪切与挤压变形，分析连接履带板的履带销的剪切和挤压问题时，学员就有直观认识，更容易理解。讲到扭转变形时，在学员理解圆轴扭转的强度、刚度分析后，请学员分析履带板中橡胶衬套的变形，从结构和受力分析中看到与所学的圆轴扭转问题不同，因此不能运用所学结论，这时引导学员重新从方法的源头上分析，通过观察变形，提出假设，然后建立几何关系、物理关系、静力关系，请学员自行推导应力和扭转角的计算公式。从这些例子的分析中，学员切实体会到学会知识很重要，掌握分析方法更重要。
四、结语
在材料力学的教学中，案例教学是一种行之有效的方法，可以服务专业，补充教材，激发兴趣。然而案例的收集和分析是一个经常性的工作，作为教员要思维敏捷，多关注生活、工程中的焦点问题，要多学习专业知识，找准武器装备课程中的相关问题，提炼适合材料力学课程的案例或实例，让材料力学课程的教学充满活力，这样才能让学员喜欢力学课程。
[ 注 释 ]
[1] 窦庆峰.结合案例式教学培养学生工程实践能力[J].科教文汇，2009（12）：7.
[2] 郝俊才，赵春香，盖芳芳.土木工程专业材料力学案例教材的编写方法探讨[J].价值工程，2013（23）：234-235.
关键词 机械原理 实例教学 课程改革
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2016.03.047
Abstract "Principle of Mechanical" is an important professional basic course in teaching plan of mechanical professional in higher industrial school， occupying the trunk status in the entire mechanical professional curriculum system， playing an important role in cultivating students' ability to analyze and solve problems and improve their innovation . In this paper， we combine and summary the preliminary work we have done in the content of the mechanical principle course reform and teaching methods in the North China University of Technology in recent years， mainly introducing "driven by instance teaching"， which aims to arouse the students' learning positivity and closely combines the principle with engineering practice to make students have a better understanding of the course， exercising the ability to apply the theory to solve practical engineering problems.
Key words principle of mechanical； instance teaching； curriculum reform
0 引言
“机械原理”是一门专业基础课，主要研究内容包括机器与机构的分析与设计的原理，机构与机器的运动与动力学分析，对机械系统运动方案给出初步的设计。通过“机械原理”的学习，使学生掌握、了解机器与机构分析与设计的基本原理与方法，锻炼学生运用所学基本原理与方法分析、解决工程实际问题的初步能力。①
机械原理以往的课程体系主要体现的是一种学科体系，该体系对系统掌握机械原理的理论与方法是有益的，但这对初学者是有一定学习要求的，具体来说只对部分学习能力强的学生适用，而对部分学习能力较弱的学生将存在一定的难度，对该部分学生来说若不付出较大的努力，则机械原理课程的内容难以完全掌握。这种情况对于普通高校的机械专业学生具有一定的普遍性，针对这种情况需要在教学内容的安排与教学方法进行改变；而实例教学就是针对工程中的设计问题与工程案例而组织的一种教学方法，这种教学方法的实施也可以达到机械原理课程教学的基本要求。
1目前机械原理教学存在的主要问题
1.1 学生的课堂参与度不高
机械原理的知识体系是建立在高等数学、普通物理、机械制图和理论力学等先修课程的理论基础之上，而且本课程的许多理论知识又直接为学习机械设计及相关专业课等后续课程建立理论基础，②虽然本课程的教学具有专业基础课的性质，但同时在一定程度上又具有专业课的性质。
对于普通高等院校而言，部分学生的理论学习能力相对下降，再加上总体课业存在较重的情况，学生很难预先进行课程内容的预习，随着课程内容的增加与深入，与要达到的课程教学目标也渐远，造成进一步的学习困难，主动参与课程学习的积极性更低，如若授课人数过多，客观上也不利于学生主动参与课堂教学，再加上移动网络的广泛应用，吸引了部分同学的注意力。课堂教学如何最大程度地吸引学生，提高学生的参与度与积极性是一个现实的问题。
1.2 工程背景薄弱
一般机械基础研究除了具备基础性、科学性和创新性以外，也应具有应用型的本质特征，③而对于本科学生来讲，由于大多数学生缺乏工程实践知识和经验，对所讲的机构结构学、运动学和机器动力学等内容缺乏必要的感性认识，在一定程度上感到抽象、难学，实际机器与表达其运动特征的机构运动简图之间存在较大差距，很难将两者有机地联系起来，对于现实生活的机械产品也难有较好的感性认识，这就致使学生在机械系统运动方案创新设计环节中和完成习题时经常出现和所学理论脱节，甚至感到无从下手的状况。所提出的运动机构设计方案过于简单，或者作业完成耗时过长，教学效果不够理想。
因此，在讲授课程原理与方法时，应着力加强讲清相关的工程实例或工程应用背景，明确设计要求与具体的设计任务，这样有助于提高学生的注意力与兴趣。在教学过程中以学生为中心，结合工程实例与应用背景，不但可以丰富课堂教学内容，对提高学生学习的积极性，也具有积极的意义。
2实例教学在机械原理教学中应用
以实例教学为驱动的教学方法是一种将具体工程实例应用于教学，在此过程中能够提高学生理论水平和实践能力的教学方法，能够较有针对性地运用理论知识去分析问题，从而可以加深对课堂教学内容的理解。
2.1合理设计教学实例
机械原理课程不仅表现专业基础课的性质，而且会更多地表现专业课的性质，无论是概念设计还是方案设计，机械原理课程都起重要作用，对于创新设计机械原理的作用更加突出。从实际问题中提取出课程的教学实例，对于实现课程的教学目的，将起到支撑的作用。教学实例可来自工程案例、工程的设计问题、科研的实践过程中，该教学实例应尽可能涵盖机械原理课程多个教学知识点，应具有一定的综合性，不脱离现有的教学内容体系，而是将其融入其中。实际工程问题往往是复杂的，进行教学实例设计时，应在不失真的前提下，进而合理简化，形成规范的机构运动简图，明确已知条件和分析、设计任务，解决该任务所涉及的理论与方法，由于这种实际分析与设计任务的驱动，从而带动机械原理课程的教学。
在设计教学实例中应注重与其他机械基础学科的联系，要从机械系统的角度去分析机构的工作原理、特点及其在系统中的作用，确定机构设计的要求，要将整个机械课程为基础来研究机械问题。因此对工程实例的选择要尽量选择围绕本专业知识、技能与技能培养方向的实例，围绕该实例中所涉及的知识、能力、技能培养等重点；再有就是要选择贴合工程实际的实例，选择在生产生活中比较容易接受的、学生认可并容易理解的实例，最后就是工程实例的内容要对课程教学重点、难点有所侧重，利于学生快速把握关键问题，能够提出自己的见解。
2.2实例教学的实施
（1）实例1：压力机六杆运动与力分析。压力机六杆机构可用于冲裁成形、剪切成形等成形加工。该机构要求分析其滑块输出的速度、加速度，在受到成形阻力后，作用于曲柄轴上的驱动力矩的大小，为了要得到成形机的运动、受力、运转平稳及效率等性能，要对其进行图解法的运动与受力分析，为了要得到杆的合理尺寸及机械效率，要对整个成形过程进行解析法的运动与力分析，结合压力机六杆机构的设计分析要求，通过图解法与解析法进行运动与受力的分析的讲解，对压力机六杆机构再布置作业，要求学生课下完成。在这种项目驱动下，去分析讨论学习机械的运动分析，机械运动与力分析，会增强真实性与目的性，提高学习效率。
（2）实例2：牛头刨六杆机构的运动与力分析。牛头刨是一种常见的六杆机构形式，对该机构的设计包括有机构的速度、加速度、考虑摩擦与不考虑摩擦的受力分析等。从机构的结构的设计上根据六杆机构的综合方法可以设计出多种的六杆机构类型。对该六杆机构的分析可以分解为两种较简单的机构形式，导杆、连杆与滑枕组成摆杆滑块机构、曲柄、滑块与导杆组成摆动导杆机构，进行机构的运动分析时，对摆杆滑块机构的速度分析是一种典型的基点法，对摆动导杆机构的速度分析是一种典型的复合运动分析方法，这两种方法是图解速度分析的基本方法，同时设计要求给出切削全过程的速度分析，这时候可以采用矢量分析解析法，进行受力分析时，实施采用考虑摩擦的静力分析方法，不考虑摩擦的考虑惯性动态静力方法。同时还可以对机构的机械效率进行分析，对它的传力特性（压力角）进行分析。通过这个教学项目的实施把课程中的运动、力及效率的知识理论方法融在一个实际的问题当中，学生接受起来相对直观一些。
（3）实例3：成形机的动力学分析。成形机是一种由伺服电机驱动，通过减速器，滚珠丝杠带动滑台，滑台上装有辊膜，靠辊模实现对钢板的连续弯曲成形，辊模相当于数控机床的刀具。在成形过程中，辊模带载沿机床横向左右运动，其移动的位置有严格的要求，为此要对其进行运动力学分析，分析其稳态响应时间等，此项目的形成带动了机械运动方程分析的等效动力学方法教学，如何进行等效量的变换，如何建立等效动力学模型，如何对模型进行求解，理论与实践达到了较好的统一，也说明了理论对实践的指导意义。
（4）汽车雨刷器的机构设计：汽车雨刷器的机构设计可简化为根据雨刷的摆角范围进行四杆机构的设计。结合按急回特性要求设计四杆机构的方法，获得曲柄铰链中心的位置，讨论曲柄铰链中心的位置对该四杆机构的传力性能与连续性的影响，结合雨刷器无急回特性的要求，令极位夹角等于零获得曲柄铰链中心的位置。通过这个实例使学生加深了对四杆机构急回特性、传力特性及运动连续性的理解。
2.3实例教学驱动的教学方法的效果与问题
通过这种教学方法，能够使课堂上比较单一的理论、方法与工程实际有机联系起来，吸引了学生的注意力，并且提高了学生的积极性，从而提高了学生对课程教学内容的接受程度，由于工程实例的设计分析大多带有一定的综合性，对于提高学生的分析问题与解决问题的能力有较大帮助作用。实例驱动教学法的实施对工程实例设计还需要更加深入，特别是应带有一定的综合性，与其它课程内容的融合，不一定一次讲完，结合教学内容分次讲解，另外对学生布置作业完成实例的分析设计任务。
3 总结
通过一些工程实例教学，提高了学生的注意力与学习兴趣，调动了学生的学习积极性，使原先课程上较单一的理论、方法有了应用背景，加深了学生对课程理论、方法的理解，同时结合工程实例讲解课程内容，通常还带有一定程度的综合性，这种综合性的教学与实际的工程设计过程更为接近。对工程实例进行更深入的设计和引入更多的工程实例，相信对机械原理课程的教学会提供更大的帮助。
注释
① 孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006：2-4.
关键词：结构优化；螺旋桨；有限元
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）35-8156-02
结构优化设计是一门新兴的技术科学，是以现代数学、现代力学的数值方法为基础，以电子计算机系统为工具，研究结构设计自动化和优化的理论和方法。飞行器、船舶、桥梁等的结构设计，其最重要的要求就是要使所设计的结构在外力作用下既有足够的强度和刚度，又要具有尽可能轻的结构重量或低的成本，从而改善其工作性能，并节约资源和提高经济效益。
空气螺旋桨飞机与涡扇飞机相比具有省油、对机场跑道要求低和便于空投救援等优点。作为载机平台，螺旋桨是吸收发动机功率并产生飞机飞行所需拉力的部件，是螺旋桨飞机前进的动力。研制先进的螺旋桨飞机，就必须研制先进的螺旋桨。螺旋桨是安装在航空发动机上的旋转动部件，又是主要的承力构件。在设计时既受结构尺寸的限制，又有重量约束。为此，对所设计的螺旋桨的主要受力件需进行强度分析，在满足强度和刚度要求的前提下，对螺旋桨的结构进行优化，以减轻螺旋桨重量。
鉴于目前国内对螺旋桨的整体结构优化设计没有形成一套完整的理论和方法，该文通过有限元法对某型螺旋桨的主要受力件进行静强度分析，根据分析的结果，从零件材料、产品结构和产品使用的角度进行优化，并对优化后的结果进行强度校核。根据分析结果，在确保结构安全性能可靠的前提下，保证有足够的强度和刚度，减轻螺旋桨整体重量，合理优化结构。
1 有限元分析方法及软件在螺旋桨结构分析中的应用
有限元方法主要包括计算原理、计算机软件、计算机硬件三个方面的应用与实施。有限元分析法主要是运用离散概念，把连续的弹性体进行划分，划分成一个集合体，这个集合体由无数有限小单元组成，通过单元分析和组合，得到一组联立的代数方程，最终求得数值解。它不但可以解决工程中的线性问题，非线性问题，而且对于各种不同性质的材料均能求解。将计算机软件应用于一定环境下的特定结构进行有限元分析时，对结构的分析模型、边界条件及载荷的模拟需要一定的经验和技巧。在对复杂结构进行整体分析建模过程中，可供选择使用的单元有上百种。求解的精度和收敛的速度取决于单元的选用、结点的布局、网格的生成。对应于不同的分析目标同样的工程结构，建立的模型是不一样的。这就要求分析者深入地理解和正确的判断所分析的物理问题。在很大程度上，分析模型与实际结构的差异决定了计算结果的正确性和可靠性。
螺旋桨由于整体结构、零件外形、受力复杂，利用MSC公司有限元软件Patran的MSC.Patran、MSC.Nastran模块，对螺旋桨的主要受力件包括桨壳、桨套、变距套筒、桨叶、螺桩进行强度分析。利用实体建模软件Catia对螺旋桨的复杂零件和主要受力件进行实体造型，利用Catia和有限元分析软件的接口将零件的实体导入MCS.Patran，对各零件进行简化处理和有限元建模，同时给各零件施加材料属性，加载和施加约束，最后提交给其后处理器Nastran进行计算，利用计算的应力结果结合设计经验从材料、结构和使用角度进行优化，以进一步降低螺旋桨重量。
利用MSC.Patran/ MSC.Nastran进行有限元线性静力分析的过程通常是：在有限元前处理软件“MSC.Patran”中创建几何模型，如果模型较复杂最好通过CAD软件创建，然后导入MSC.Patran进行前处理：划分网格、创建材料、赋单元特性、施加约束边界条件、加载。前处理完毕，提交解算器MSC.Nastran进行线性静力分析，最后读入分析结果，应力、应变、位移等量值以云图形式显示出来。分析比较应力、应变值及其位置是否合理。
传统的结构优化一般是凭借经验或者参照已有的工程实例，通过比拟的方法进行设计。由于机械结构形式的多变性、建立的数学模型的复杂性、选用的优化方法的有效性，在机械行业选用不同的初始设计方法尤为重要。
以计算机为基础的结构优化设计就是：在规定的各种设计限制条件下，将实际设计问题首先转为最优化问题，然后运用最优化理论和方法在计算机上自动调优计算。
结构优化的基本步骤：一、以工程问题为基础，把工程问题转化为数学问题，即建立数学模型；二、根据工程问题的实际情况选择适合的优化方法。
建立数学模型包括选定设计变量和目标函数，建立约束方程等。结构优化数学模型一般由设计变量、目标函数和状态变量（约束条件）三要素构成。
按照设计变量的难易程度结构优化设计划分，可分为尺寸变量、形状变量和拓扑变量等，对这些不同的变量进行的结构优化设计分别被称为：尺寸优化、形状优化和拓扑优化。
尺寸优化：将结构的尺寸参数作为设计变量，修改结构单元的尺寸进行的优化设计；形状优化：将结构的形状参数作为设计变量，调整设计的可行域的边界和形状，最终得到最优的几何形状和可行域的边界；拓扑优化：在结构内部寻找承力最小的部位即非实体区域的部位进行优化，使结构得到最优的配置。综上所述，工程结构优化设计可以划分为三个不同的层次，这三个层次的优化代表了工程设计人员对于要设计的工程结构，从概念设计阶段到基本设计阶段，再到最后的详细设计阶段这样一个连续的过程。
3 螺旋桨结构优化程序及结论
螺旋桨的机构优化将有限元方法和设计经验相结合，对螺旋桨各主要受力零部件的强度进行有限元分析，根据分析结果，从材料选择、加工工艺和产品使用角度对螺旋桨整体结构进行改进，使螺旋桨整体重量减轻，并对改进后的强度进行校核。主要包括以下几方面：
a）主要对螺旋桨承受的载荷、受力情况、产品工作的原理、各部件连接形式和结构特点进行分析。
b）利用Catia软件建立某型螺旋桨主要受力件（包括桨壳、桨叶、桨套、变距套筒、连杆、螺桩、拨套）的实体模型。简化各零部件的受力情况和约束情况，并选择合理的单元类型和网格划分方法，然后根据分析类型合理施加载荷和约束之后得到一个有限元分析模型。
c）选择合适的解算器计算主要受力件的应力和应变，根据计算结果，发现结构的薄弱环节，并以此分析结果作为结构改进或优化设计的依据。
d）根据分析结果确定结构优化方案，对优化结构再进行强度校核，并与优化前结构进行对比分析，达到减重的目的。
参考文献：
[1] 夏人伟.张永顺.结构优化设计基础[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1984.
[2] 刘沛清.空气螺旋桨理论及其应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[3] 柳晓黎.Y8飞机空中起动负拉力测试研究[J].飞行力学学报，1996（7）.
[4] 李恒熙.基于ANSYS的CK6136数控车床的有限元分析及优化设计[D].东南大学，2006.
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