張楠

摘? 要 結(jié)合多年的工程機械類課程金屬結(jié)構(gòu)的桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性教學經(jīng)驗，提出將軟件應(yīng)用、實際工程和課程理論教學相結(jié)合的教學方法，主要講述把ANSYS計算機工程軟件應(yīng)用于起重臂桁架結(jié)構(gòu)教學中，提高學生的工程實踐能力、工程設(shè)計理論計算能力和工程創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 金屬結(jié)構(gòu);桁架結(jié)構(gòu);工程軟件;ANSYS

Abstract In the teaching experience of the truss structure stability of the Metal Structure of the engineering machinery course for many years， a teaching method combining software application， practical engineering and course theory teaching was proposed. This paper mainly describes the application of ANSYS computer engineering software to the teaching of the jib truss structure. The teaching me-thod will greatly improve students engineering practice ability， engi-neering design theory calculation ability and engineering innovation ability.

Key words metal structure; truss structures; engineering software; ANSYS

1 課程介紹

金屬結(jié)構(gòu)是工程機械裝備的主要內(nèi)容，它直接影響工程機械設(shè)備的工作性能指標，也是機械裝備理論設(shè)計的關(guān)鍵性課程之一。桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題是金屬結(jié)構(gòu)課程的主要內(nèi)容。桁架結(jié)構(gòu)中的桁架指的是格構(gòu)式構(gòu)件的一種梁式結(jié)構(gòu)。桁架構(gòu)件在建筑工程中應(yīng)用廣泛，同時應(yīng)用在工程機械裝備領(lǐng)域，如塔式起重機臂架就是桁架結(jié)構(gòu)。桁架主要是由桿件通過對接焊縫和角焊縫連接起來，或以鉚接或螺栓連接而成的支撐橫梁的空間桁架結(jié)構(gòu)。另外，桁架也有一些由支鏈桿組成，大多數(shù)是連接成三角形的平面結(jié)構(gòu)或空間體系結(jié)構(gòu)。桁架結(jié)構(gòu)主要承受力為桿件承受的軸力（受到壓力和拉力）。其優(yōu)點是能充分利用構(gòu)件的強度、節(jié)省材料，減輕自重和增大剛度。如在跨度較大時，桁架比其他的梁（如實腹梁）用的材料更少，剛度更強[1]。

穩(wěn)定性是桁架結(jié)構(gòu)的重點，也是教學中的難點[2-3]。桁架的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性是很復(fù)雜的問題，與橫梁的強度校核相比，桁架穩(wěn)定性問題更加抽象且整體穩(wěn)定性校核的公式更加復(fù)雜，使學生難以掌握和理解。因此，桁架的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性問題是教學重點與難點[4-6]。

在現(xiàn)代教學課程中，桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性教學大多數(shù)以課堂講解理論知識為主，以例題講解和課程設(shè)計為輔。經(jīng)過實踐證明，對于桁架構(gòu)件的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性，單靠課堂理論講解很難讓學生理解并掌握它。因此，筆者提出采取工程ANSYS軟件仿真與理論教學相結(jié)合、實際工程和課程理論教學相結(jié)合、傳統(tǒng)理論方法和計算機軟件模擬相結(jié)合的教學方法。這類教學模式需要教師有“桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性”和“工程機械金屬結(jié)構(gòu)綜合課程設(shè)計”的教學經(jīng)驗，同時需要具有一定的金屬結(jié)構(gòu)課程教學經(jīng)驗，并且具備運用工程軟件分析桁架設(shè)備的工程項目實踐經(jīng)驗。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，把工程軟件應(yīng)用在桁架穩(wěn)定性教學中，對促進學生工程實踐能力、工程設(shè)計理論計算能力的提高具有積極作用。

2 ANSYS軟件在教學中的應(yīng)用

桁架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的公式比較復(fù)雜，理論更加抽象，在課堂上用傳統(tǒng)的理論教學方法讓學生全面理解穩(wěn)定性問題相對來說比較困難。因此，把ANSYS工程軟件應(yīng)用在教學中，使學生更好地理解桁架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性。工程軟件ANSYS是工程機械設(shè)計專業(yè)所需要掌握的軟件，學生可以通過使用ANSYS工程軟件分析桁架來理解桁架穩(wěn)定性。為適應(yīng)新形勢下工程機械專業(yè)教育的發(fā)展，需要系統(tǒng)和完整地將工程軟件ANSYS分析和金屬結(jié)構(gòu)中的桁架結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容真正結(jié)合起來。這就需要利用工程軟件ANSYS系統(tǒng)地計算分析桁架構(gòu)件的內(nèi)力和穩(wěn)定性問題，才能將軟件應(yīng)用和理論教學真正結(jié)合起來，設(shè)計最合適的教學方法。

具體設(shè)想為：以工程機械專業(yè)學生為研究對象，在課堂理論教學中系統(tǒng)地應(yīng)用工程軟件ANSYS展示桁架的分析結(jié)果，將軟件應(yīng)用和理論教學相結(jié)合的教學方式與其他教學方法有機融合，再結(jié)合學生學習過程中出現(xiàn)的問題和教學效果的反饋，對教學方法進行逐步完善，形成一套完善的教學方法。教學過程中的具體思路如下：

1）應(yīng)用工程軟件分析出桁架的性能圖片，再通過桁架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性知識講解，加深學生對理論知識的理解，以達到預(yù)期的效果;

2）將工程軟件ANSYS的基本操作步驟添加在桁架的學習過程中，應(yīng)用ANSYS分析桁架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力和穩(wěn)定性例題，并與理論計算內(nèi)力相對比，激發(fā)學生的學習興趣，讓學生帶著興趣學習，可以取得非常良好的效果;

3）課上演示軟件操作步驟，課后讓學生自己動手進行軟件操作，提高學生興趣的同時，加深掌握金屬結(jié)構(gòu)的基本知識，更鍛煉學生的工程軟件應(yīng)用能力，提升學生對桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性理論的興趣。

3 工程實際和課程理論教學相結(jié)合

桁架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性設(shè)計是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要組成。為加深學生對桁架整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性理論知識的理解，必須使學生了解桁架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的重要作用，由此需要把工程實際和課程理論教學相結(jié)合，在再結(jié)合平時積累的教學素材，整理出桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題的教學內(nèi)容例證。

1）利用工程軟件解決實際應(yīng)力應(yīng)變問題，呈現(xiàn)出機械結(jié)構(gòu)的動力學特性。不考慮結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的局部缺陷，也不考慮結(jié)構(gòu)整體或部分失穩(wěn)導(dǎo)致整個桁架梁應(yīng)力重新分布，繪制桁架梁的應(yīng)力圖。利用圖片展示和講解說明，利用工程軟件繪制箱型梁受彎構(gòu)件的內(nèi)力圖。

2）下面計算純彎曲載荷下桁架梁的失穩(wěn)彎曲的情況，通過圖片可以發(fā)現(xiàn)桁架梁的腹板與翼緣板都發(fā)生失穩(wěn)。但是由于翼緣板寬度比腹板小很多（本例中腹板和翼緣板厚度相同，翼緣板的寬厚比遠小于腹板的寬厚比），因此，翼緣板的臨界失穩(wěn)載荷比腹板大。

以塔式起重機臂架工程實際為例，采用工程軟件ANSYS對工程實際中起重臂桁架的內(nèi)力、整體穩(wěn)定性進行分析，并把其分析內(nèi)容應(yīng)用到課程教學中。具體例子如利用工程軟件解決桁架結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力應(yīng)變問題，呈現(xiàn)出機械結(jié)構(gòu)的動力學穩(wěn)定性。

首先在工程軟件ANSYS中建立臂架桁架結(jié)構(gòu)的模型如圖1所示;在不考慮結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的局部缺陷時，工程軟件繪制的臂架桁架的變形穩(wěn)定性分布如圖2所示。

4 傳統(tǒng)理論教學和計算機軟件分析相結(jié)合

傳統(tǒng)的桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性教學方案大多偏重理論，使學生難以理解且興趣不高。在傳統(tǒng)教學方式中，理論知識在實際工程中的應(yīng)用一直是本科教學中的重點要求，使學生更好地掌握知識，讓學生能夠理解桁架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的知識。但這在一定程度上阻礙了教學改革發(fā)展，同時導(dǎo)致許多學生對理論知識的實際應(yīng)用能力較為薄弱。

黑板板書是課堂教學的傳統(tǒng)方式，但隨著計算機多媒體的發(fā)展，多媒體教學和黑板板書相結(jié)合的教學方式也越來越受到廣大師生的歡迎。在現(xiàn)代教學方式中，把多媒體和板書相結(jié)合的教學方式對傳統(tǒng)理論教學和計算機軟件分析相結(jié)合的教學方法有著重要啟示。因此，在桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性教學探索中，在教學過程中應(yīng)該將傳統(tǒng)理論教學和計算機ANSYS軟件分析結(jié)合在一起，進行桁架穩(wěn)定性理論推導(dǎo)。

如將塔式起重機臂架這類桁架結(jié)構(gòu)的桿件穩(wěn)定性過程用ANSYS工程計算機軟件應(yīng)用制作成三維動畫，在桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和彎扭問題通過高清攝像機和計算機操作進行實時展示，并利用工程軟件分析和操作桁架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時的變形和應(yīng)力狀態(tài)。工程軟件ANSYS操作步驟如下：

1）定義單元類型，選擇單元類型，臂架優(yōu)化設(shè)計時選用BEAM188，因為其適用于分析厚梁結(jié)構(gòu)/細長到中等粗短;

2）定義單元的類型并輸入實際的參數(shù)，即臂架梁單元的截面參數(shù)，在下面的圖片示意中選擇相應(yīng)選項定義材料的屬性，如密度、彈性模量、泊松比等，并輸入相對應(yīng)的值;

3）塔機臂架的模型結(jié)構(gòu)相對來說是比較簡單的，只需要在ANSYS的三維坐標系中按照順序依次輸入各個節(jié)點所在的坐標位置，然后將每個點的坐標根據(jù)建模需要連接成直線即可（在建模前要對塔式起重機臂架的形狀有一個很深入的了解，這樣才能快速又準確地列出每個節(jié)點的坐標）;

4）用直線把所有關(guān)鍵點連接起來，并對線進行單元的劃分;

5）得到的解越精確，就越需要對臂架進行更多的單元劃分，定義每條直線需要劃分的網(wǎng)格數(shù)是第一步，并進行單元劃分，形成網(wǎng)格;

6）施加載荷與約束，在臂架與塔身連接處定義好約束，臂架在豎直平面內(nèi)還要受到自身重力影響，臂架自重通過密度及重力加速度來實現(xiàn)，水平平面內(nèi)受風載荷以及回轉(zhuǎn)慣性力，風載荷通過均布載荷的添加來實現(xiàn)。

在傳統(tǒng)理論教學中，授課教學過程中往往是教師占據(jù)主導(dǎo)位置，學生都是被動學習，相對來說課堂相對枯燥乏味，對調(diào)動學生的學習熱情和積極性非常不利。在進行桁架穩(wěn)定性教學時不能被動式教育，而教學中的主要任務(wù)是讓學生在理論教學基礎(chǔ)上進行工程軟件實際操作等，讓學生能夠去理解和掌握桁架的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性問題，應(yīng)逐步培養(yǎng)學生能夠解決實際工程問題的能力。將傳統(tǒng)理論教學和計算機軟件分析相結(jié)合，要讓學生能夠完全掌握和理解桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在工程機械中的實際應(yīng)用，使得學生能夠?qū)⒄n堂所學運用到實際中。

5 結(jié)語

本文著重于工程機械類課程金屬結(jié)構(gòu)中的桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，結(jié)合多年的教學經(jīng)驗，探索出切實可行的軟件應(yīng)用與理論教學相結(jié)合的教學方案。該教學方案將實際工程問題和課程理論、ANSYS工程軟件分析相結(jié)合，并在教學過程中進行逐步完善。該方案將對學生工程實踐能力、工程設(shè)計能力和工程創(chuàng)新能力的提高具有積極作用。

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