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材料力學劉鴻文范文1
關鍵詞：土木工程；材料力學；教學改革；教學內容；課程考核
引言
材料力學是固體力學中最早發展起來的一個分支。一般認為，1638年，意大利著名數學家、天文學家、理學家伽利略出版的名著《關于兩門新科學的談話和數學證明》標志著材料力學的開端。書中，首次提出了材料的力學性質和強度的計算方法。對于土木工程專業來說，材料力學是一門非常重要的專業基礎課。其以解決材料的強度問題、剛度問題、穩定性問題為總綱，具有較強的理論性和實踐性。
一、現狀及存在的問題
目前，國內各高校土木工程專業多選用張如三、孫訓方、劉鴻文主編的《材料力學》作為指定教材，或者選用在這三本《材料力學》基礎上重新編寫的教材。采用的課堂教學方法基本都是從簡單的拉伸（壓縮）、剪切、扭轉和彎曲四種基本變形開始，然后歸納到一般的應力應變狀態分析與強度理論、組合變形以及壓桿穩定問題。在講授完課堂相關理論知識后，由實驗指導教師指導學生進行軸向拉伸、壓縮以及平面彎曲等實驗?？傮w上，土木工程專業的材料力學教學內容已經比較穩定，課堂學時一般在60~74個之間，實驗學時一般在4~8個學時之間，學分在3.2~4.0分之間。針對材料力學的教改問題，很多同行進行了研究，也取得了一定的成果。但結合我們前些年的教學實踐，也發現了一系列的問題，具體如下：
1.教師隊伍缺乏專業性。材料力學是土木工程專業、機械類專業、信息類專業等很多工科專業都開設的一門專業基礎課，因此很多學校（包括作者所在學校前些年）均統一安排基礎學部的力學教師來講授材料力學。從學校層面講，這樣安排節省了教學資源，便于統一管理。但弊端是基礎學部的教師對土木工程專業缺乏深入的了解，不能將材料力學中的相關理論和實際土木工程相結合，這就導致了學生學到的知識僅限于書本上，不知究竟學到了什么，很難提升學習興趣。
2.材料力學理論性較強，概念多，公式多，計算多，內容多，學生接受困難。材料力學章節多，內容多，各章之間連續性相對不強。本身理論性、抽象性又較強，很多概念，如應力、應變等，學生第一次接觸，若采用傳統的講授式教學，不輔以必要的手段，在有限學時內，很難理解其本質，降低學生學習的主動性和積極性。
3.教材的發展相對落后于規范。目前，我國土木行業的規范體系中，如鋼結構設計規范、混凝土結構設計規范等，除疲勞計算外，均基于近似概率極限狀態設計法進行強度、穩定等校核，而材料力學中仍主要采用容許應力法，若完全按照教材講解，學生所學知識與當前工程實踐、新理論相差甚遠，會誤導學生。
4.實驗教學流于形式、學生不重視。材料力學的實驗基本是在課堂教學講授完相關理論之后進行，相關實驗基本為驗證性實驗，有些甚至僅由教師給學生演示一遍，學生僅需觀看不需要自己動手驗證，最后學生上交實驗報告就算是完成了實驗教學。實驗教學淪為一種“形式主義”教學，不僅提高不了學生的興趣，有時甚至被學生認為是耽誤了有限的課堂教學時間。
二、材料力學教學改革建議
針對材料力學教學實踐中發現的問題，經過實踐，作者提出了一些針對性的建議，具體為：
1.教師隊伍注重專業性建設。充分意識到教師在教學過程中的主導及組織作用，選擇具有較高學術水平、豐富工程背景的土木工程專業教師講授材料力學課程，這樣教師可以實時地把材料力學教學內容與工程實踐結合起來，比如材料力學中梁構件的支座可分為可動鉸、固定鉸、固定端支座，但我們工程中的主梁一般支承于柱上，次梁一般支承于主梁上，那工程中實際中的梁對應的支座又是那種呢？對于鋼筋混凝土梁構件來說，當梁端部承受負彎矩，上部混凝土受拉開裂，如梁上部不配置縱向受拉鋼筋，即可允許梁端發生轉動，進而釋放掉負彎矩，這樣一般就可認為是固定鉸；反之，若梁端上部配置了足夠多的縱向受拉鋼筋，那計算時就可以簡化為固定端。通過專業老師的講授，使學生切實體會到材料力學和工程實踐的密切關系，進而激發學習的興趣。
2.教學內容注重時效性、拓展性建設。在對教學內容不做較大修改的前提下，教學時注重時效性，與現行相關規范作比較，如軸心受拉構件的強度計算公式，材料力學中基于容許應力法的表述為公式（1）、鋼結構設計規范中基于近似概率極限狀態設計法的表述為公式（2）。NAn≤[σ]（1）NAn≤f（2）式中，N為構件受到的軸拉力；An為構件的凈截面面積；[σ]為許用應力，Q235鋼材一般取150~170MPa之間；f為鋼材的抗拉強度設計值，Q235鋼材一般取215MPa（板件厚度小于12mm）。從表面上看，公式（1）和公式（2）的區別僅為[σ]和f。但實際上公式（1）基于容許應力設計法，要求結構在標準荷載下產生應力不得超過材料的容許應力[σ]（容許應力[σ]由材料的極限應力除以一個大于1的安全系數得到），因此可知，式（1）中的N是由標準荷載產生的軸拉力。近似概率極限狀態設計法設計公式（2）是用荷載或荷載效應、材料性能和幾何參數的標準值附以各種分項系數，對于不同重要性的結構，尚應考慮結構重要性系數，即式（2）中的N是由荷載設計值（荷載標準值乘以相應的荷載分項系數）產生的軸拉力，f是由材料強度標準值除以抗力分項系數得到。除注重教學內容與現行規范相結合外，教學過程中我們也強調力學知識的拓展性，即材料力學中的相關知識不僅在土木工程中應用，在生活中也有大量應用，諸如食品包裝袋上預留一個小豁口、如何吃火腿腸、冬天水管為什么會被冰脹裂、撐桿跳運動員使用的撐桿的變化（由木桿、竹竿、金屬桿等逐漸過渡到現在用的玻璃纖維桿）、香蕉球的力學原理、彈簧秤的力學原理等等，通過這些生活中的具體問題，使缺少工程實踐的學生從生活案例中理解材料力學概念，讓學生意識到材料力學就在我們身邊，并逐步引導學生自己去發現材料力學在生活中的應用，進而提高學生的學習興趣。
3.教學手段注重結合性、細節性建設。本文著重介紹的是作者采用多媒體課件教學時，認為應該注意的一些細節性問題。（1）多媒體課件形聲、動畫兼備，對于抽象的應力、應變、變形過程等更容易展示出來，學生也容易理解，但制作課件時要注意排版、字體大小、顏色等，最好多圖片少漢字，能用動畫表述不用文字描述。排版不宜過于花哨，否則會喧賓奪主，學生會把過多的注意力放在課件上，而不是教學內容上。（2）多媒體課件內容選擇上，輻射面要廣，不僅包含教材上的知識，尚應涵蓋教材沒有涉及到的知識。但除重點內容外，一般不必過于詳細，否則學生會認為“課件”就是材料力學，降低他們主動學習的積極性。細節決定成敗，一個好的多媒體課件可以讓學生在愉悅中掌握知識，優化課堂教學，提高教學質量。
4.教學方法上注重靈活性建設。為改善傳統的教師講、學生聽這種學生“被動學習”的教學方法，將“啟發式學習”“學生自主學習”與傳統的教學方法相結合，引導學生積極思考，增強了教與學的互動，使學生參與到教學活動中來，而不是被動地接受。“啟發式學習”的核心是引導學生學習，結合材料力學每章節課程內容，教師在導課時都結合具體的工程案例或相關科研成果，首先讓學生知道要學什么，相關的問題在哪？帶著問題去學習，學完相關內容后，師生共同對問題進行歸納總結，加深學生對學習內容的理解。比如在講解壓桿穩定問題時，教師首先提出問題：僅長度不同的鋼柱，其余均相同，哪個承載力會高一些呢？學生從生活常識的角度一般能知道短柱一般承載力會高一些，但不知道原因在哪兒。在講解完壓桿穩定問題后，學生就知道原因所在了?！皩W生自主學習”就是給學生站上講臺并充當教師角色的機會。材料力學課程安排中一般會有2~4個學時的機動課時，我們利用這幾個學時的時間，讓學生站上講臺，規定每個學生授課時間一般在8分鐘左右，從授課章節、多媒體課件制作、素材收集等等全部由學生自主完成，在“學生教師”授課的過程中，教師充當學生，最后由教師進行點評。以前，教學過程中，我們一般把這幾個學時安排成答疑，效果并不理想。基于此，我們把答疑全部改為課下進行，不占用課堂時間，把節約下來的課時用來給學生展示，這樣提高了他們學習的主觀能動性和在眾人面前表達自己的能力，也讓他們體會到了教師工作的辛苦。
5.實驗教學注重層次性建設。針對之前實驗教學的弊端，我們作了如下改進：（1）除實驗室專門配備的教師外，要求材料力學授課教師全程參與實驗教學。（2）將實驗分層，第一層次為基礎性實驗，包括拉伸、壓縮、平面彎曲實驗。第二層次為綜合性實驗，可以由學生自擬題目或結合教師個人科研項目確定。（3）基礎性實驗教學過程中，授課教師首先把與實驗有關的多媒體課件等相關素材提供給學生。進入實驗室進行實驗時，由實驗室教師對授課教師事先提供給學生的素材（多媒體課件等）進行詳細講解，并預留下一些問題。因學生課下已經做好了預習，這樣有效地節省了準備時間。為提高學生的動手能力，實驗按每2~3人一組進行分組，撰寫實驗報告時，學生除需對實驗數據進行整理分析外，尚需對實驗室教師預留的問題進行解答。對實驗過程中不懂的問題，也可以在實驗報告上提出，最后由實驗室教師匯總交給授課教師，由授課教師統一解答。同時，實驗報告上必須注明小組每個人的分工。（4）綜合性實驗為選做性實驗，可以是真實的物理性實驗也可以是數值性實驗，主要是針對學有余力的同學開展的。截至作者發稿前，學生自擬了軸向壓桿穩定承載力的測定、焊接構件殘余應力測量等多個實驗項目；參與到教師的科研項目中的實驗就更多了，諸如一些實際檢測類的工程項目、實驗室的科研試驗項目等。6.課程考核注重多樣性建設。課程考核過程中，摒棄了平時成績+實驗課程成績+期末考試成績加權計算總成績、期末考試閉卷的傳統作法。相關改進如下：（1）針對材料力學公式多、概念多的實際情況，考試時允許學生自備半張A4紙，半張A4紙單面（另一面空白）可以撰寫自己認為重要的公式、概念等等，但只能自用不可互相傳閱，考試結束時該半張A4紙寫上姓名隨同試卷上交。（2）減小主觀性成績在總成績中所占比重，平時成績主要依靠作業質量、出勤率等來確定，但僅占總成績的10%；實驗課程成績分為A（優秀，對應90分及以上）、B（良好，對應80~90分）、C（中等，對應70~80分）、D（及格，對應60~70分）、E（不及格，對應60以下）五個等級，若實驗成績等級為E，則采用一票否決制，總成績不合格；若等級為C或D，實驗課程成績占總成績的30%；若等級為A或B，實驗課程成績占總成績的20%?？傮w上，實驗成績越低，在總成績中所占比重越大，就會導致總成績越低，進而促進學生重視實驗教學。
三、結束語
經過幾輪的教學實踐改革，針對我校土木工程專業材料力學的教學改革取得了初步成效，學生對材料力學的理解逐漸由一門抽象、難懂的“力學課”轉變為土木工程專業的一門“專業基礎課”，學生的學習興趣、學習動力、動手能力、解決實際問題的能力大幅提高，學習過程中的參與感逐漸增強。但我們也意識到，材料力學教改工作是一項長期工程，需要我們順應形勢，進一步地探索和實踐。
參考文獻：
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材料力學劉鴻文范文2
【關鍵詞】材料力學；教學方法；教學案例
如何上好一堂課？是教師終身思考的問題。材料力學作為機械、土木、材料、汽車等學科的專業基礎課程，是基礎課向專業課過渡的“橋梁”，為學生后續的學習與工作提供重要理論基礎。在教學過程中如何幫助學生掌握材料力學的基礎知識，深入理解該課程的知識體系，靈活運用材料力學知識解決實際工程問題是我們的教學目標和宗旨。
材料力學課程介紹幾種變形：拉伸和壓縮、剪切和擠壓、扭轉、彎曲以及他們的組合變形[1]，其課程體系有一條主線：內力-應力/變形-強度/剛度校核，在教學中我們圍繞該主線組織開展教學活動。目前本科生上課積極性不高，如何上好一堂課，抓住學生的眼球，使學生主動走進課堂，帶著興趣來上課，是我們上好一堂課需要考慮的問題。本文以材料力學課程教學為例淺談上好一堂課的幾個方法。
1 啟發式教學方法
啟發式教學是教學過程中的常用方法。在講授課程時要注重開好篇，引導學生對課程感興趣。通常材料力學引言課從介紹基本概念和假設開始， 而我們先通過多媒體課件演示一些工程案例與學生進行討論，例如比薩斜塔為什么屹立不倒；建于遼代（1056年）的山西應縣佛宮寺釋迦塔900多年來歷經數次地震不倒，現存唯一木塔；加拿大圣勞倫斯河魁北克大橋，在架設中跨時，由于懸臂桁架中受壓力最大的下弦桿喪失穩定，致使橋梁倒塌，9000噸鋼鐵成廢鐵，橋上86人中傷亡達75人；建于隋代（605年）的河北趙州橋橋長64.4米，跨徑37.02米，用石2800噸，是當今世界上現存最早、保存最完善的古代敞肩石拱橋。列舉這些工程案例，讓學生展開討論這些現象存在的原因，引入材料力學理論來研究并解決這些疑問，從而引入材料力學這門課。理論是概括工程實際問題，給出一套解決方法，從而處理一些工程現象。想要學習一門理論，我們首先給自然界中的物體一些概念定義，所以我們從介紹材料力學基本概念開始講述這門課程。由于實際問題過于復雜，因此理論框架都是將實際問題簡化，因此我們要給定一些假設，從而講解材料力學理論中的幾點假設： 連續性假設、均勻性假設、各向同性假設和小變形假設。通過啟發式教學，帶動學生學習興趣，吸引學生注意，從而達到教學效果，完成教學目的。如果教師一味地介紹知識，教學過程枯燥無味，教師白費功夫，學生也浪費時間，因此在教學中采用啟發式教學能達到事半功倍的效果。
2 問題式教學方法
教學改革的指導思想是教學思想的變革，由以教師為中心的填鴨式教學方式，改變成以學生為中心的啟發式教學，討論式教學等教學思路。這里我們根據實際課堂教學經驗列舉具體實例淺析問題式教學方法。給學生布置自學課程時，教師可以先提出幾個問題，讓學生帶著問題讀書自學找到答案。通過一問一答的過程學生基本掌握了該節課的主要內容。例如在講解材料力學基本概念時，教師提問：材料力學的基本概念有哪些？分別用一句話概括每個概念；在講解截面法求內力時，設置問題：截面法分幾步，每一步分別是什么？講解彎曲強度措施這節時，設置問題：提高彎曲強度措施有幾種方法，每種方法分別是什么？設置自學課程時我們可以充分利用問題式教學方法，同樣，講完一節課時我們也可以設置思考題，學生通過回答思考題，對本節的關鍵問題理解更透徹，例如：講完“積分法求彎曲變形”這節，設置思考題：積分法求變形有什么優缺點？對應可以提出“疊加法求彎曲變形的優缺點”。
3 順藤摸瓜式教學方法
力學課程邏輯性強，我們通?？梢圆捎庙樚倜系慕虒W方法。下面通過具體實例淺析順藤摸瓜方法的應用。例如在講解拉伸、壓縮的超靜定問題時，為了使兩桿桁架更結實穩定，我們在中間加一根桿，通過列方程求桿上的內力，列平衡方程，出現兩個方程三個未知力，只憑靜力平衡方程不能求得全部軸力，還必須找到一個補充方程，我們發現幾根桿的變形之間存在關聯，因此找到變形協調方程，三個方程三個未知量可以順利求解；再列舉一個彎曲強度校核的例子：如圖1所示，一形截面的外伸梁，已知：l=600mm，a=110mm，b=30mm，c=80mm，F1=24kN，F2=9kN，Iz=0.573×10-5m4，y1=0.072m，y2=0.038m，材料的許用拉應力[σt]=30MPa，許用壓應力[σc]=90MPa，試校核梁的強度。
根據彎曲強度公式：最大正應力小于或等于許用正應力梁是安全的，最大正應力等于最大彎矩除以彎曲截面系數。因此，我們首先要畫出彎矩圖，找到彎矩最大值；求出彎曲截面系數。想要畫彎矩圖先求點A和B處的約束反力；若要求彎曲截面系數，先求出截面對形心軸z的慣性矩Iz以及最大拉/壓應力距離形心軸的距離。因此這道題我們的解題步驟是：1.求約束反力。2.畫彎矩圖。3.求彎曲截面系數。4.求最大拉/壓應力。5.強度校核。通過順藤摸瓜式教學方法，學生掌握了學習該問題的邏輯，能更輕松地求解問題，同時鍛煉了學生的理性邏輯思維能力。
4 歸納總結式教學方法
學生應養成歸納總結的習慣，例如學完一章，讓學生總結這章的知識點有哪些，先從大的知識點總結出脈絡，再將每個知識點拓展總結。例如學完“彎曲內力”這章，學生總結該章重點知識：1）求解各種形式靜定梁的支座反力。2）剪力和彎矩的概念，理解剪力和彎矩的正負號規定。3）計算任意截面上的剪力和彎矩的數值。4）建立剪力方程、彎矩方程，正確繪制剪力圖和彎矩圖?？偨Y知識脈絡，學生再根據每條拓展總結；每個學期期末，學生自己寫一份總結報告，列舉出各章知識點；材料力學的幾種變形（拉伸和壓縮、剪切和擠壓、扭轉、彎曲）研究內容具有重復性，都是按照內力-應力/變形-強度/剛度校核的順序介紹；并且應力和變形公式推導也具有相似處，例如應力公式推導都是從基本假設到靜力學關系、幾何關系和物理關系得到，引導學生自己總結出以上規律。
教育的目的是教書育人，育人是教育的宗旨，因此教師在教學中的目標是全方位培養學生的能力，本文總結的幾種教學方法最終目標都是以學生為主體，引導學生主動積極思考、培養邏輯思維能力，激發學生主動學習的動力，把被動的學轉變成主動的探索，主動地解決未知問題，興趣是最好的老師，培養學生的好奇心，帶著興趣探索自然界的未知領域，達到教育的最高境界。
材料力學劉鴻文范文3
關鍵詞：材料力學；扭轉；切應力；截面
中圖分類號：TB 文獻標識碼：A 文章編號：16723198（2012）14018401
1 等直圓桿橫截面的選擇計算
等直圓桿在現實生活中的應用比較廣泛，圓桿有空心圓桿與實心圓桿之分，設計中怎樣合理的設計圓桿的橫截面，才能使構件能夠承受更大的扭矩。即在相同的材料用量的條件下，怎樣合理設計橫截面的形式，才能使得構件能夠承受的扭矩更大。為了研究這個問題我們先做以下假設：（1）假設構件的變形以扭轉為主，其它的變形為次而可以忽略不計，按鈕轉變形對其進行計算設計。（2）假設自由扭轉構件的破壞是由構件的強度條件控制的，即當自由扭轉截面所受的切應力達到其極限承載切應力的時候構件發生破壞。忽略剛度和穩定性條件的控制。
在材料用量相同的條件下，由于桿件的長度是確定并且相等的，那么實心圓軸桿件與空心圓軸桿件的橫截面積相等。取桿件的橫截面面積為1，分別進行分析討論。
1.1 等直實心圓桿所能承受扭矩的計算
實心圓桿的橫截面面積：S=πD2/4=1（D為實心圓桿的橫截面直徑）?？梢缘玫剑篋=4π=2π，圓截面的扭轉截面系：Wp=πD316=π16×（2π）3=12π，那么實心圓桿的最大切應力為：τmax=TWp=T12π=2πT，則實心圓桿所能承受的最大扭矩為T=τmax2π。
1.2 等直空心圓桿極限切應力的計算
空心圓桿橫截面的內直徑用r表示，外直徑用R表示，其比值 α=rR（0＜α＜1）?？招膱A桿橫截面的面積：S′=π（R2-r2）/4=1，可以得到：R=2π（1-α2），空心圓截面的極慣性鉅為：I′p=∫Aρ2dA=∫R2r22πρ3dρ=π32（R4-r4）=πR432（1-α4），扭轉截面系數為：W′p=I′pR/2=πR316（1-α4），將R代入可以得到：W′p=π（1-α4）16×［2π（1-α2）］3=12π×（1+α2）1-α2，那么空心圓桿的最大切應力為：τmax=T′W′p=2πT′×1-α21+α2。
由于桿件所用的材料是相同的，因此兩者的所能承受的極限承載力是相同的，即τmax=2πT=2πT′×1-α21+α2，得到T=T′×1-α21+α2，即TT′=1-α21+α2，由于0＜α＜1，所以1+α2＞1，1-α2＜1，所以TT′=1-α21+α2＜1，即T＜T′。
因此，在材料用量相同的條件下，空心圓桿所能承受的最大扭矩大于實心圓桿圓桿所能承受的最大彎矩。那么，空心圓桿所能承受的最大彎矩為：T′=τmax2π×1+α21-α2。對于該圓桿的最大切應力τmax是一個確定不變的量，因此空心圓桿所能承受的最大彎矩主要由α的值確定。下面探究空心圓桿所能承受的最大彎矩隨著空心圓截面的內外半徑的比值α的變化規律。令f（α）=1+α21-α2（0＜α＜1）。首先運用微分法分析f（α）的變化規律。對f（α）進行積分，f′（α）=（1+α21-α2）′=3α-α3（1-α2）32=α（3-α2）（1-α2）32，顯然，由于0＜α＜1，f′（α）＞0，說明f（α）是隨著α的變化而遞增的函數。利用Excel繪出f（α）隨著α變化而變化的圖形，如圖1所示。
圖1 f（α）變化圖有上述分析可以知道，f（α）隨著α的增大而增大，并用f（α）=1+α21-a2＞1。也就是說，空心圓桿所能受的扭矩T′=τmax2π×1+α21-α2是隨著α值的增大而增大的，即隨著空心圓截面的內外半徑的比值α的增大，空心圓桿所能承受的最大扭矩也在增大。所以，合理的增大空心圓的內外半徑的比值可以提高桿件所能承受扭矩。
從f（α）的變化曲線以及f（α）的關系式中可以看出，隨著α的無限趨近于1，f（α）是趨于無窮大的。也就是說當空心圓截面的內外半徑的比值α趨近于1的時候，即空心圓超薄的時候，構件所能承受的彎矩是無窮大的。這種結論顯然是不成立的，這是因為我們在他就這個問題的時候僅僅考慮了強度的影響條件而忽略了剛度和穩定性的影響條件，而在實際情況中我們應該綜合考慮三個方面的條件限制。
2 結語
綜上所述，本文是以材料力學中的切應力的計算為背景，利用切應力的計算公式，并結合數學知識，探討了等直圓桿的橫截面選擇問題。通過探究，我們可以知道，相對實心圓桿來說，空心圓桿能夠承受更大的彎矩。并且，對于空心圓構件，在僅考慮強度條件的影響因素下，構件所能承受的最大彎矩是隨著空心圓的內外半徑比值的增大而增大的。
參考文獻
材料力學劉鴻文范文4
【關鍵詞】 材料力學 學習效率 積極性
1 材料力學課程的特點與教學現狀
材料力學是高等院校工科中機械、土木等專業在高等數學和理論力學后開設的一門專業基礎課，它基于固體力學的基礎知識，主要研究構件在外力作用下的變形和破壞規律，為合理設計構件提供有關強度、剛度和穩定性的基本理論和方法[1]。它不僅是后續專業課程（鋼結構設計原理、混凝土結構設計原理、結構抗震設計和橋梁工程等）的重要理論基礎，又是解決工程實際問題的重要方法和手段，在許多工程技術領域有著廣泛應用，而且它還是培養工科相關專業學生的創新實踐能力的重要基礎學科[2]。所以作為該課程的教師就需要深入研究如何講好材料力學課程，提高教學效果，使學生能切實掌握材料力學相關基礎理論，并培養學生分析問題、解決問題的能力，激發學生主動思考和研究的興趣，培養創新思維和能力，從而達到預期的教學目標。
然而近幾年來，隨著高等教育的改革和發展，課程設置和授課學時的變化，材料力學的授課學時也被大量削減，同時，招生規模不斷擴大，生源總體素質的下降，學生的基本功的參差不齊，必然會導致單班授課人數過多，教學的難度增加。此外，現今的大學校園里逃課現象司空見慣；課堂之上，睡覺，把玩手機的現象比比皆是；學生課堂學習積極性明顯不高；材料力學掛科率居高不下，甚至到達聳人聽聞的40%以上。因此，如何增強學生材料力學的學習效率已成為迫在眉睫的關鍵問題。
2 材料力學學習效率的提高
2.1 教學過程中的情感互動
學生作為獨立個體，有著豐富細膩的情感，而作為材料力學課程的授課教師，最好能讓自己的學生喜歡教師本人，至少做到不害怕、不討厭，這就要求教師有著平易近人的態度和健康、樂觀向上的人格魅力。另外，講課時的語氣、用詞要盡量生動幽默、要深入淺出，復雜的例子簡單化、生活化，而且說話時要注意與學生們的眼神交流，讓學生有被重視的感覺，這樣容易拉近老師與學生的距離。此外，有時還可以引導學生來舉例，或者列舉一些他們暫時不理解的力學現象，大家暢所欲言，課堂氣氛活躍輕松，學生自然會喜歡上課。研究表明，興趣愛好，是人們從事并投入某項活動的最佳推動器。因此，教學課堂中的情感互動能直接增強學生對材料力學課程的學習積極性，從而間接提升學生材料力學的學習效率。
同樣、課堂教學時間的結束并不意味著教學過程互動的終結，課后的教學安排不僅是對前一堂課的總結和延續，也是對下一堂課的提高與發展。對每堂課的總結概括，對學生意見的征求是下一堂課提高教學質量的基礎，通過作業進行互動是最常用的方式，根據作業和平時測驗情況，可以采用質疑方式督促部分學生獨立且積極主動學習。另外教師應主動留給學生自己的電子信箱、QQ或者微信號等，便于課后知識、情感、思想和生活交流，進一步加深彼此的了解，既促進知識的理解與鞏固，又加強師生情感的交流，讓學習變成輕松愉快的事情。
2.2 課程趣味性的提高
在傳統的材料力學教學過程當中，其課程體系大都是以四種基本變形（軸向拉壓、剪切、扭轉和彎曲）為主線來展開，對課程的基本概念、基本理論及方法由簡單到復雜、由特殊到一般進行闡述，以致長期以來形成了相對固定的教學模式。同時，由于材料力學課程概念多、理論性強、內容抽象且不好理解，從而造成學生對材料力學的學習有一定的畏難情緒；而且教材中工程實例較少，學生不知道所學知識能解決什么工程問題，就認為力學沒有用，學習積極性不高，甚至有厭煩情緒的產生，這些都將必然導致學習效率低下的問題。
因此，材料力學課堂趣味性的提高尤其重要。力學來自工程實際問題，反過來，力學要服務于工程實際，同時，生活和工程中的實際例子以及一些簡單實驗是提高材料力學課堂趣味性的最好素材。例如：材料力學講桿件拉壓和扭轉章節時，可以讓學生自己動手，用粉筆做拉伸和扭轉實驗，引導學生注意觀察斷面形狀，最后總結、對比課本理解一些問題；又比如，在開始講平面圖形截面性質時，可以做個簡單的實驗來提高學生的關注度和興趣，拿幾張紙，展開平鋪在兩個粉筆盒上，在紙上中間處不斷增加粉筆的數量，直到紙被壓彎，記錄下此時粉筆的數量，然后讓學生再把紙卷成圓筒或者方形筒放于兩個粉筆盒上，同樣再依次往紙筒中間處添加粉筆直到彎曲，記錄下此時粉筆的數量，讓學生對比哪一種工況條件下的承載能力大，引起學生積極思考；引導學生提出疑問：“紙的橫截面積沒變（兩種情況下紙張相同），只是截面形狀變了，其抗壓的能力卻變化很大，為什么？”，這樣就為這一章開了一個好頭，學生學習就有了興趣。同樣，彎曲強度一章較難，可舉例設問：（1）60t的平板車怎樣通過允許負重只有40t的大橋；（2）允許負重只有100kg的跳水版怎樣才能夠承受200kg的人在上面跳水。從問題出發，讓學生在學完本章后幫助解決這些問題。這樣學生學習有了目標，就有興趣，效果自然好。
上述材料力學內容可以從簡單的實驗、工程實例以及適當的提問引導，充分調動學生的積極性和興趣。而對于應力應變狀態這種理論性、抽象性比較強的章節，這時就得源于教師對知識的理解和應用的熟練程度，用巧說的方式來把枯燥無味的理論描述為生動形象的故事，從而充分調動學生積極性與興趣。如：摩爾圓――“剪應力和正應力的愛情”的故事，從前有個剪應力愛上了正應力，大部分時候正應力和剪應力是在一起，正應力在前，剪應力默默跟著，在摩爾圓上行走；剪應力很早就知道，在摩爾圓上，有一個地剪應力會變為零，她千萬不能去；但是正應力從小的理想就是為了到一個地方，成為主應力；但是，有件事剪應力她一直不知道怎么開口，因為正應力成為主應力的地方，就是剪應力變為零的地方。類似這樣的比方，不但能調動起學生的興趣，同時也加深了對理論的理解。
2.3 新教學手段的引入
慕課[3]（Massive Open Online Courses， MOOC）是指大規模在線視頻開放性課程。大規模（Massive）是指課程資源和參與學習者數量眾多；開放性（Open）是指慕課課程資源向所有學習者開放；在線（online）是指依托于互聯網技術，將課程資源公開到網上，供學習者分享、互動。慕課作為信息化技術與教育技術高度融合的新型教育教學方式，從2008年形成雛形并接受注冊，短短幾年時間就引起了世界教育界和著名大學的高度重視并紛紛參與，美國斯坦福大學、麻省理工學院、哈佛大學等世界著名高校率先建立慕課平臺，并主動向世界推送在線課程。斯坦福大學校長將慕課比作教育史上“一場數字海嘯”，《紐約時報》將2012年命名為慕課元年……。慕課使優質教育資源實現了公平共享，將推動教育事業的可持續發展。 材料力學課堂教學時間的結束并不意味著教學活動的終結，課后的教學安排是對前一堂課的總結和延續，而慕課作為一種新的教學形式與教學手段，可以引入作為材料課堂教學的延續。簡短的視頻，精煉的知識點講解，可以作為學生預習復習的媒介，學生不僅能自由支配學習時間，同時也能更好地幫助學生加深對知識點的理解，提高學習效率。
3 結語
材料力學作為一門邏輯性較強的課，需要學生理解的難點、重點和抽象的知識點很多，一但整個環節中某一塊聽不懂、吃不透，就很容易產生消極怠學的情緒，因此，充分調動學生學習的積極性和興趣顯得尤為重要，這也主要取決于教師對知識的理解和靈活運用，同時也對教師在課堂情感互動、課堂趣味性、新教學手段的引入等方面提出了更高的要求。
參考文獻：
[1]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.
材料力學劉鴻文范文5
關鍵詞塊體非晶;納米壓痕;有限元模型。
中圖分類號TG139 文獻標識碼A文章編號1673-9671-(2010)032-0112-01
塊體金屬玻璃(bulk metallic glasses,BMG)又稱為塊體非晶,是一種具有短程有序而長程無序的特征,固態時其原子的三維空間呈拓撲無序排列的亞穩態結構的合金。它具有優異的力學、物理和化學性能。在本文中我們所用的是一種典型的塊體非晶:VIT-001()。
1Hertz理論的簡要介紹
Hertz指出,如果在接觸面的邊界上作半圓球面,而用它在各點的高度代表壓力在各該點處的大小,則位移關系可自動滿足。作用于兩個相互接觸的無摩擦的彈性旋轉體之間的壓力分布是由Hertz最早給出的,即(其中為接觸區域的半徑)
(1)
Hertz并且通過對位移的計算,驗證了壓力的Hertz分布不會導致圓之外的接觸。
2納米壓痕過程的一般描述
給出了一個加載―卸載循環過程的載荷―位移曲線。這里最重要的物理參量是最大載荷 ()、最大位移()、完全卸載后的剩余位移(),以及卸載曲線頂部的斜率()。參量被稱為彈性接觸韌度。
這里為接觸面積,為約化彈性模量,是與壓頭幾何形狀相關的常數。而測試材料的彈性模量則可以根據計算出。對于金剛石壓頭,其參量分別為,,。
目前被廣泛用來確定接觸面積的方法是Oliver-Pharr方法,該方法是通過將卸載曲線頂部的載荷()與位移()的關系擬合為一指數關系:
式中和是擬合參數,為完全卸載后的位移。彈性接觸剛度便可以根據(2)的微分計算得出
對于擬合一條完整的卸載曲線,不一定總能提供正確的描述,根據整條卸載曲線擬合得到的參量常常導致非常大的誤差。因此通常只取卸載曲線頂部的25%到50%。
接觸表面的投影面積A的經驗公式為
式中為接觸深度;是跟壓頭有關的待定系數,通過實驗利用迭代方法可以獲得。只要知道,我們就可以根據式(3)求出A。而對于彈性接觸,接觸深度總是小于壓入深度,可由下式計算出:
式中:是一個與壓頭形狀有關的常數。對于球形或棱錐形(Berkovich 和Vickers)壓頭=0.75,圓錐形壓頭=0.72。
一旦知道了接觸剛度和接觸面積,硬度和彈性模量便可以求出。
3球形壓頭作用下的應力計算
前面提到,Hertz給出作用于兩個相互接觸的無摩擦的彈性旋轉體之間的壓力分布為式(1),是平均壓力,因此最大壓力是平均壓力的1.5倍。我們可以算出。
對于球形壓頭下的平板,最先進入塑性階段的區域應該是在球下方沿的地方。通過考慮接觸面半徑為處的一個環形集中力,能夠來計算沿軸的應力:
所以問題可轉化為求(或)的極值。對于VIT-001,,,金剛石壓頭的彈性模量和泊松比前面已給出,把這些公式代入到方程⑷可以得到。應用Mathmatic軟件,我們可以得到函數
的圖像,進一步可求得處,剪應力取極
值。
,這個值可以保證被壓材料始終處于彈性階段,并且略小于第一次發生pop-in的荷載。利用公式可以算得。
4總結
納米壓痕與以前的硬度技術有很大不同,它是從納米級的幾何量度上對材料的力學性能進行把握,可以得到與材料宏觀上很多不同力學性能。對于首次發生pop-in的現象和在大范圍加載后卸載的殘余形變仍需進一步的探索。不同硬度的材料在受壓時會在壓頭周圍產生堆積現象或沉陷現象,從而影響壓頭實際的壓人深度,使得實際計算的硬度值發生偏差。如何消除這一誤差,需要在材料的塑性變形機理方面做進一步的探討。
參考文獻
[1]徐秉業.接觸力學[M].64～121.
[2]徐芝綸.彈性力學[M].上冊.北京:高等教育出版社,1990.305～309.
[3]K.Wang,M.W.Chen,D.Pan,T.Fujita,W.Zhang,X.M.Wang,A.Inou.Plastic .
材料力學劉鴻文范文6
關鍵詞：撒砂支架；有限元；疲勞；優化
中圖分類號：TQ028.3 文獻標志a：A 文章編號
引言
砂管支架斷裂存在較大的安全隱患，所以對撒砂支架結構進行有限元仿真計算分析能夠應力分布狀況并根據此進行結構改進，達到設計要求。
1支架結構形式
該支架主體部分由8mm、10mm厚的板構成，安裝在轉向架下端。支架具體結構如圖1.1所示。
1.1支架有限元模型
簡化螺栓連接，將支架上端簡化為全約束，將支架中間設備設為集中質量，生成計算模型。采用四面體10節點體單元[1]對實體模型進行離散。計算模型中節點總數為385047個，單元總數為240571個。
1.2支架基本計算載荷
該支架安裝在轉向架上，強度計算參考 BS EN13749-2011鐵路設施.轉向架結構要求[2]的規定方法。超常載荷包括最大垂向加速度=± 20.0 g ；最大橫向加速度=± 10.0 g ；最大縱向加速度=± 5.0 g。疲勞載荷包括垂向加速度=± 6.0 g；橫向加速度=± 5.0 g ；縱向加速度=± 2.5 g。
1.3支架載荷工況
將超常載荷、疲勞載荷以及實際運行情況對這些載荷的組合采取以下工況。
工況一：最大正向垂向加速度；工況二：最大反向垂向加速度；工況三：最大正向縱向加速度；工況四：最大反向縱向加速度；工況五：最大正向橫向加速度；工況六：最大反向橫向加速度；工況七：疲勞正向垂向加速度；工況八：疲勞反向垂向加速度；工況九：疲勞正向縱向加速度；工況十：疲勞反向縱向加速度；工況十一：疲勞正向橫向加速度；工況十二：疲勞反向橫向加速度。工況一～六為超常工況，工況七～十二為疲勞工況。支架與轉向架構架連接處簡化為全約束。
2強度評定依據
砂箱材質為Q235B，按照GB/T700-2006《碳素結構鋼》標準和古德曼材料疲勞應力曲線該材料的機械性能如表2.1示。在強度評價中采用第四強度理論導出的等效應力（又稱Von Mises 應力）來評價[3]，此等效應力不得超過相應計算工況的許用應力。第四強度理論的含義是：在任意應力狀態下，材料不發生破壞的條件是：
3 強度計算分析
3.1計算結果分析
各工況的最大應力（即Von Mises應力，下文同）及出現位置見表3.1。后四種工況下焊縫處應力很大不滿足許用應力上限，根據模型在更工況下的受力特點將模型部分進行修改如圖3.1所示。
3.2改良模型計算分析
模型修改后各工況的最大應力及出現位置見表3.2。修改后模型滿足所有工況條件，所有工況的最大應力值比原模型減小。
4結論
原模型無法達到設計要求，根據原模型的計算結果進行針對性修改，改良后模型滿足所有工況條件，在疲勞橫向加速度工況下應力最大減小46.25%，且模型總重量也有所下降。
參考文獻：
[1] 王新敏， ANSYS工程結構數值分析[M]. 北京：人民交通出版社， 2007， 135-145.
