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工程結構設計原理范文1
關鍵詞：卓越工程師：應用型人才：教學改革
G642；TU-4
引言
《混凝土結構設計原理》是土木工程專業必修的專業基礎課，是一門理論和實踐結合緊密的課程，具有邏輯性強和工程性強的特點。內容包括：混凝土結構材料性能、混凝土結構設計原則、受彎構件正截面受彎承載力計算、受彎構件斜截面受彎承載力計算、受壓構件承載力計算、受扭構件扭曲截面受扭承載力計算、鋼筋混凝土構件的變形、裂縫驗算、預應力混凝土構件的設計原理[1]。
為推進教育部提出“卓越工程師教育培養計劃”，加強工程實踐教育，培養適應行業企業需求的工程人才，本文基于土木工程卓越工程師培養要求，就土木工程專業《混凝土結構設計原理》教學改革進行探討。
一、課程特點及教學現狀
1、課程內容覆蓋面廣，分模塊
本課程包括材料性能、設計原理、各類構件的受力性能、破壞特征及配筋計算。主要計算模塊包括拉、壓、彎、剪、扭五大部、繞度和裂縫的耐久性驗算及預應力計算。教學內容繁多，復雜，學生難以全面掌握各個模塊。
2、需要以扎實的材料知識和力學知識為基礎
學習本課程需要學生教好的掌握建筑材料及材料力學兩門基礎課程?；炷两Y構設計原理研究的對象就是混凝土和鋼筋兩種材料的結合體，計算的理論推導大部分是基于材料力學公式，這就要求學生必須掌握好@兩種材料的基本性能，也要熟練掌握材料力學的基本公式。
3、半理論半經驗的計算公式
本課程涉及到的計算方法是以試驗為基礎，建立半理論半經驗計算公式，計算也要符合相關的基本假設。公式多，公式復雜，符號多，計算結果的不唯一性等等原因，導致學生一時難以接受，學習提不起興趣，抽象難懂，積極性很低，往往導致最終的考試成績很不理想。
4、規范規定的構造要求多
對于復雜、不便計算的內容，本課程采取按照規范條文取值，構件截面形式、尺寸、鋼筋直徑、間距、布置要求都有所不同。這部分內容具有零散、系統性差、邏輯性不強的特點，學生容易混淆概念、難以記憶。
5、理論與實際結合緊密
在學習本課程過程中，要時時考慮安全和經濟兩者之間的平衡，不僅要掌握如何通過計算來保證結構的安全可靠，同時也要綜合考慮材料、施工、構造要求等方面，以此來取得施工最方便快捷，經濟利益最大化。學生在學習過程中往往只注重如何保證計算的安全與否，未能中和考慮安全和經濟兩個方面。
二、課程改革思路探討
基于本課程具有以上特點，以及教師教學和學生學習過程中存在各種問題。為了激發學生學習興趣、引導學生自主思考、深刻理解計算理論及設計方法，我們認為可以從教學內容、教學方法及考核方式三個方面入手進行改革。
1、教學內容改革
混凝土結構設計原理課程內容多、范圍廣，教師應找出各章節前后聯系，形成一個骨架，使各章節知識融會貫通，這樣不僅學習起來有脈絡和層次，也容易使分模塊的課程內容串成一串，加深印象，提高學習效率；對構造要求部分，教師要做到少而精講解，不能過多羅列，這樣容易使學生失去學習興趣；在課程中引入工程實際教育，應利用已有資源或者創造資源為學生增設實驗課程，比如可以進入企業或者試驗室參與一段梁的制作過程，并利用已學知識對其進行計算，驗算實際承載力與理論值的偏差，讓學生對所學知識有一個直觀的認識[2]。
2、教學方法改革
啟發式教學。該課程的特點決定了其上課內容枯燥乏味，所以在教學過程中，如何來提高學生聽課積極性就顯得尤為重要，啟發式教學的引入能有效的解決這一個問題。按照提出問題、分析問題、解決問題、討論總結的模式在課初就提出問題，讓學生帶著問題聽課，啟發和引導學生主動思考。例如，在進行一個梁截面受彎設計時，想學學生提出如何來保證梁本身的承載能力、如何使施工更為方便，并且達到經濟最省的效果[3]。啟發式的教學方式能夠引起學生的聽課興趣，還能提高教學質量。
網絡教學。引入微課和翻轉課堂，微課教學視頻課時十分鐘以內，針對個知識點進行教學具有目標明確、針對性強和教學時間短的特點，學生在較短時間內能夠將某一個知識點學透，理解深刻[4]。比較符合結構設計原理課程內容分模塊特點。翻轉課堂讓教師和學生互換角色，學生在課上變被動接受知識為主動討論，學生自主學習能力能得到提升，課堂氛圍和學生聽課興趣都能大幅提升。
實踐性教學。
卓越工程師人才培養可聘請企業教師進行混凝土結構設計原理課程上課，提高學生的工程實踐認識。施工企業教師可將構造要求講的豐富透徹，設計院教師能從全方位綜合考慮來進行梁柱板的設計。此外，學?？梢詾閷W生提供場所做有針對性的開放性試驗，讓學生根據所學原理來進行試驗設計，試驗總結。
3、考核方式
混凝土結構設計原理是一門跟國家規范聯系非常緊密的課程，在工程應用中經常要查閱相關規范進行計算設計，而且本課程中的公式的記憶量又相當大，所以傳統的考核方式并不適合，可采取開卷和閉卷相結合的方式。對于概念性較強的內容可采取閉卷方式考核，題目類型為選擇、填空、簡答為主；計算部分采取開卷考核，用工程實際例子改成合適的計算題對學生進行綜合考核，提高了學生的工程實踐認知，也鍛煉了學生職業資格考試能力。采用平時考核（占課程成績的10%）、實驗考核（占課程成績的20%）和期末有限開卷考試（占課程成績的70%）相結合的考核方式。
三、結語
《混凝土結構設計原理》是一門理論和實際聯系緊密的課程，工程概念強，應以力學知識為基礎，結合設計規范，加強理論和實踐的聯系。學校根據教育部文件制定“卓越工程師教育培養計劃”培養計劃，我們通過在教學內容、教學方法和考核方式進行研究探討，在混凝土結構設計原理課程教學實踐中，緊緊圍繞學校培養目標，積極探索新的教學方法，提高教學效果，培養學生的分析思考能力和創新意識，使學生真正掌握這一課程，使之成為名符其實的卓越工程師。
參考文獻：
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[2] 郭銳娥. 《混凝土結構設計原理》課程的教學改革探索[J]. 科學與財富， 2015， 7（16）： 9-9.
[3] 沈浦生， 梁興文. 混凝土結構設計原理[J]. 2005.
工程結構設計原理范文2
關鍵詞：道橋專業；項目模塊；實踐環節；人才培養
中圖分類號：G6420 文獻標志碼：A 文章編號：10052909（2017）02006204
混凝土結構設計原理課程內容豐富，與實際聯系較緊密[1]，在道橋專業中處于十分重要的地位。分析道橋專業課程體系的特點，課程的定位明確：既是導前課程在實際中的應用，又是后續課程的基礎，如圖1所示。
從圖1中不難發現，混凝土結構設計原理作為專業課程體系的“橋梁”，實踐性較強，既在綜合應用中鞏固了基礎課程知識，又在循序漸進的學習過程中為后續課程打下了基礎。因此，學生對該課程掌握的情況對專業技能的培養影響較大。文章結合混凝土結構設計原理的特點和課程體系中的定位，對該課程的教學做了探索性思考和總結。
一、混凝土結構設計原理課程教學存在的問題
作為道橋專業的學位課程，該課程的要求較高，但學生掌握的情況不夠理想。以三峽大學科技學院為例，課程的最終成績由閉卷考試的卷面成績（60%）、實驗成績（20%）和平時成績（20%）綜合評定。從2013級道橋本科專業成績分析結果來看，達到合格標準的只占70%，優良的只占18%，如表2所示。
結合該課程的特點和學生學習的情況，很多專業教師就教學方法和教學手段的改革進行了探索，提供了較多好的方法和建議[2～4]，但仍然存在如下問題。
（一）理論和實踐學時不均衡，缺乏實踐訓練
為強化學生對理論知識點的熟悉程度，混凝土結構設計原理課程的授課往往以理論教學為主，實踐環節學時占比較少，部分高校學時分配如表3所示。
（二）教材例}設置過于簡化，未結合工程實際
混凝土結構設計原理教材例題的側重點在于對基本計算理論的鞏固，往往在設置時簡化了大部分內容，學生在練習的過程中過于依賴例題，缺乏分析思維和解決問題能力的訓練。比如矩形截面設計問題，實際工程的設計過程是結構計算簡圖的抽象結構荷載分析不同荷載的作用效應計算內力最不利的組合截面尺寸的擬定材料的選擇設計計算構造性要求變形和裂縫驗算結構施工圖，而教材由于篇幅的限制和側重點的不同，將大部分例題的設計過程設定為設計計算構造性要求配筋圖，雖然節約了大量教學時間，但不符合工程實際，也漸漸抹殺了學生的創新和分析能力。
（三）課程設計的實踐訓練過于集中，收效甚微
道橋專業在相應實踐教學環節中均會設置混凝土結構設計原理的課程設計，目的是綜合訓練學生查閱資料、分析問題和設計的初步能力，一般要求學生一周完成設計。課題內容較多，任務量較大，加上同一學期其他專業課程的要求，學生為完成任務要么依賴例題，要么抄襲別人的成果。此外，混凝土結構設計原理的課程設計一般為梁板結構設計，偏向土木工程房建方向，而道橋專業后一學期的橋梁工程課程為混凝土簡支梁橋的設計，其大部分內容是重復的，因此，對于道橋專業學生而言，混凝土結構設計原理課程設計的效果不佳。
三、基于項目模塊教學方法的探索
專業課程的理論知識是實際工程應用的基礎，傳統的教學模式使得混凝土結構設計原理課程慢慢地獨立于專業課程體系之外，不符合應用技術型人才培養模式的要求，為增強學生的專業綜合素質和就業優勢，文章以項目模式為基礎對該課程的教學做了探索。
（一）項目模塊的設定與課程內容的對應
結合道橋專業的需求，將現澆混凝土橋梁工程作為項目模塊分解混凝土設計原理課程，設定4個項目模塊及10個子模塊，與課程內容的對應關系如圖1所示。
以項目模塊分解課程內容不僅讓課程教學更加符合理論應用于實踐的宗旨，也讓學生在學習過程中逐漸學會了如何解決實際工程中的五大類問題，即材料如何選擇？截面如何設計？鋼筋用量如何計算？施工圖如何繪制？結構質量如何控制？
（二）項目子模塊的實踐環節
實踐教學環節作為理論知識的應用在專業教學中尤為重要，由于條件和學時的限制，傳統的混凝土結構設計原理課程實踐僅僅是在課程設計中體現，并沒有達到綜合訓練的目的，因此，以項目模塊驅動的課程教學在子模塊中設定了三大類實踐任務和10個訓練項目，理論與實踐緊密結合，綜合訓練學生的分析、動手能力，如表4所示。
（三）項目模塊教學課程考核方案的思考
考核是學習成果檢驗的重要環節，也直接引導了學習的目的性。傳統的考核方案以閉卷考試為主，使得學生習慣性養成了以應試為目的學習態度，上課敷衍了事，考前死記硬背，逐漸形成了高分低能、無法解決實際問題的怪相。
為培養具有較扎實理論基礎和較強實踐能力的應用技術型人才，在以項目模塊設定的教學模式基礎上，對課程的考核方案做了如下思考。
（1）放棄閉卷考試的考查。混凝土結構設計原理課程本身就具有公式多、條件多的特點，記憶大量的公式和公式條件并不是學習該課程的主要目的，學會步驟分析的方法，學會解決不同條件下的實際問題才是學習這門課程的宗旨，顯然閉卷考試并不能客觀反映學生對課程的掌握程度。
（2）以平時成績、子模塊實踐訓練項目成績綜合評定。如表5所示考核方案，平時成績的考核主要訓練學生的學習態度，項目設計成績考核主要強化學生對設計理論和規范的應用，實驗成績考核主要訓練學生的動手和分析能力，實訓成績考核主要考查學生對實際工程問題的判斷和寫作能力。
（3）為增強課程考核要求的約束性，設定學分和學位獲得條件，如表6所示。
四、結語
以實際項目模塊為基礎，將混凝土結構設計原理的理論課程分解到項目模塊中，相應的子項目的訓練增強了課程實踐教學的效果，不僅將理論知識迅速地應用于實踐，而且增強了項目所設定的實驗的意義，提高了學生學習的興趣和目的性。
課程的考核方案從學習態度、理論知識掌握程度、資料的搜集及規范的應用、動手能力和實際問題判斷能力各個方面綜合評價學生的學習情況，在重復訓練中提高學生的專業技能，避免了學生以考試為目的，被迫學習的心理，為后續的學習打下堅實的基礎，也為同類院校提高專業課程體系的教學質量提供了參考和借鑒。
參考文獻：
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[3]商懷帥，楊琳，等. 工程案例在混凝土結構設計原理教學中的應用[J]. 中國冶金教育，2014（5）：34-35.
[4]陳進，謝孝，等.基于執業能力培養的混凝土結構設計原理系列課程改革[J].高等建筑教育，2010，19（1）：51-53.
Abstract：Concrete structure principle course is very important in road and bridge specialty curriculum system， simplified conditions of the traditional teaching methods is not conducive to the training of creative thinking and analytical thinking. This paper explored the course teaching by project module， set the links of practice and the scheme of course examination to improve students， interest in learning and close to actual project scenario. It can not only train the students， professional skills， also provide reference for the training of applied talents.
工程結構設計原理范文3
【關鍵詞】荷載與結構設計原理 教學方法 改進措施
【中圖分類號】TU3 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）06-0029-01
1.概述
為了適應厚基礎、寬口徑的人才培養目標，土木工程的新課程體系由如下六大模塊組合而成[1]：①結構分析；②荷載與結構設計準則；③結構設計基本原理；④結構工程設計；⑤結構試驗與測試；⑥結構工程施工。
其中，第2模塊的知識內容，以前散落在有關結構設計課程的教學內容中，缺乏系統性，且重復過多，現已將其整合為一門獨立的課程：荷載與結構設計原理。這一課程目前已被國家高校土木工程專業指導委員會采納，并列為土木工程專業必修基礎課程。該課程旨在使學生熟悉工程結構各行業中常見的荷載類型及其特點，掌握結構設計理論和方法，了解規范建立的可靠度理論背景，為今后培養工程結構的設計計算能力和科研創新能力打下必要的基礎。
本文主要分析了“荷載與結構設計原理”課程在教學環節中存在的主要問題，并對其進行分析和解決，提出了一些改革措施。
2.存在問題
《荷載與結構設計原理》課程內容大致分為兩個部分[2]：荷載分析和結構設計方法分析，其特點為：理論性較強，且較多地用到了數學中數理統計的知識，許多學生感覺課程抽象枯燥，接受起來較困難。筆者在該課程教學和實踐過程中，歸納總結了目前存在的一些主要問題，具體如下：
1）學生對各類荷載的作用方式理解不夠。
《荷載與結構設計原理》一般安排在第五個學期，此時大部分專業課程尚未接觸，學生對各類荷載的工程背景了解不夠，以至于往往只停留在對條文和公式的死記硬背上，難于深入理解和掌握荷載的作用方式、計算思路。
2）不同工程中需要考慮的荷載有所不同，同類荷載的計算方法和考慮方式也各有偏重，學生對此缺乏理解。
3）設計方法中，較多地用到了概率論、數理統計、可靠度方面的知識，學生在此方面理論基礎不扎實，學到此處常感覺課程抽象、難以理解、無所適從。
3.教學改進措施
筆者認為，教師需針對學生情況理清課程體系和授課重點，有的放矢，刺激學生的學習興趣，使得教與學能較為融洽地相互配合。針對前述共性問題，以提高教學質量、培養應用型人才為目標，提出以下幾個方面的改進措施供參考。
1）理清知識結構，突出課程主線。
在緒論中，首先介紹本課程的課程性質、主要內容、基本特點和學習方法，使得學生充分了解“為什么學”、“學什么”和“怎樣學”等基本問題，掌握本課程的學習主線。在以后的課堂講解過程中，教師還宜不時地強化這條學習主線，并根據學生的實際情況去粗取精、突出重點，從而使學生有明確的學習目標，達到事半功倍的效果[3]。
2）交代工程背景，介紹預備知識。
例如，在講述廠房中的吊車荷載時，建議先介紹廠房排架的結構組成、荷載類型和傳力方式作為預備知識，若有條件時還可帶學生進行有吊車的廠房排架結構的實地參觀，使得學生對吊車荷載的工程背景、產生原因、荷載傳遞方式和特點有更清楚的認識，并利用多媒體輔助教學，通過理論與實踐的結合刺激其學習興趣，以便對移動荷載的特點以及豎向、橫向、縱向吊車荷載標準值的確定方法有更準確的理解。
不同工程結構需考慮的主要荷載類型也有所不同。例如，建筑結構需考慮樓面活荷載，而橋梁結構則需考慮汽車荷載。這兩類荷載都是可變荷載，但是作用方式和特點不同，計算方法也各不相同。建議教師在講課中適當地補充兩類工程結構的結構布置和荷載傳遞方式。
3）結合工程實例，重視實踐應用。
在課程中宜盡可能結合工程實例進行分析，既可將抽象的知識概念具體化，便于學生理解，又可刺激學生的求知欲。課程基本內容結束后，教師還可找一些建筑結構、橋梁結構、水工結構等工程實際案例，指導學生進行結構上各類荷載計算、內力組合和可靠度分析，將課程所學內容融會貫通，并強化學生靈活運用所學知識解決實際問題的能力。
4）詳略得當，突出基本思路。
為了給混凝土結構、砌體結構、鋼結構等專業課程打好基礎，大部分高校將“荷載與結構設計原理”課程安排在第五個學期，此時結構力學中的動力學知識尚未學到。因此，對于地震作用一章，建議可著重介紹相關概念和地震反應譜法的基本理論、思路，具體的公式推導和計算方法可待“結構抗震”課程再做詳細講授。
此外，結構可靠度的計算分析也宜詳略得當，建議將數理統計的一些必要概念（隨機變量、正態分布、特征值、分位值等）靈活穿插于分析思路中，以圖、表、舉例等形式較生動地喚起學生對相關數學知識的記憶，并在此基礎上講清可靠度計算的基本理論和實用方法。筆者認為，講授過程中宜盡量避免長篇累牘地進行數學推導和演算，充分發揮多媒體教學的優勢，將抽象的數學理論和概念用較形象生動的圖、表或者動畫表現出來，激發學生的學習興趣。
4.結語
筆者多年來從事土木工程專業相關課程的教學工作，對厚基礎、寬口徑的人才培養目標和本專業的課程體系構成有較深刻的理解。以上是我在講授《荷載與結構設計原理》這門課程中積累的一些總結和體會，謹供參考，衷心希望能夠為提高教學質量、培養具有創新思維能力的綜合型人才貢獻一份力量。
參考文獻：
[1]李國強，陳以一等.土木工程專業結構工程課程體系與教學內容改革總體方案[J].高等建筑教育， 2002，43（2）：53-54.
工程結構設計原理范文4
從18世紀以來，機器逐步代替人力勞動，用于做功或轉換能量。做功的機器不僅大大提高了勞動生產率，而且很好地保證和提高了產品的質量。由于機器實現的能量轉換，人們發明了多種多樣的工作機械，提高了人類的生產水平，改善了自己的生活條件。機器的設計是由具體的機構物化為實體的產品，以提供用戶所要求的使用功能。因此，機械的結構設計是產品設計的重要一環，在機械設計課程中，機械結構設計也是非常重要的教學內容。在機械結構的設計中，應“勤于學習、善于思考、勇于探索、敏于創新”，以偉大的接納之胸懷學習前人成果，并以開拓的精神實現偉大的創造。機械結構的設計不是具體案例的機械堆砌，而是有其內在的知識基礎、設計的方法和物理原理。本文擬從機械結構的設計方法和設計原理兩個方面，討論機械結構設計的內在知識和結構創新的基本途徑，但本文不討論機械制造工藝性對機械結構的要求。
二、機械結構設計的方法
1.經驗設計。從現代科學誕生以來，機械科學與技術已有300年的歷史。機械的連接結構、傳動結構和支撐結構等已經積淀有汗牛充棟的實踐案例，但如何掌握這些案例的基本原理和設計方法，而不是記憶這些案例的具體結構設計，這是經驗設計中的關鍵。具體的產品設計，例如車床，其結構設計可以參考前人的設計圖紙，這對于提高設計效率，汲取前人經驗、避免犯前人的錯誤具有實際意義。通過借鑒前人的經驗，可以吸收他人的結構創新方法，同時也拓寬了自己的設計思路。隨著機械結構數據庫的出現和搜索方式的更新，對他人的相關結構設計的學習將更加方便。經驗知識是結構設計的寶貴財富，也是公司的知識資產。通過對國內外同類型專利知識的學習，也是一條提升自己結構設計能力的途徑。另一方面，要注意避免侵犯他人的知識產權?！肮湃藗飨聛淼膶W問，就是裝在船里的貨物?，F在的新潮流、新趨勢，就是行船的風?！痹趯W習他人的結構設計創新點的基礎上，設計者應有自己的革新與發明、自己的創造。
2.理論設計。機械結構設計的理論方法，討論的是機械結構設計的理性方法，具體的有：模塊化和組合化設計、復合化設計、分級結構設計、載荷均布性設計和變結構設計。隨著結構優化、結構可靠性和概率設計等方面的發展和具體應用，機械結構的理性設計方法也在不斷的推陳出新。模塊化和組合化設計。一臺機器總體是由提供不同功能的結構單元有機的組合而成，因此模塊化的以及模塊之間的組合化就是早期的方法之一。在復雜的機電系統和設備中，模塊化和組合化的設計理念是有效的結構設計方法，同時也是機械制造的方法之一。例如，組合航空母艦的設計概念；我國的組合化機床的設計在上世紀70年代就已經取得了很大的成功。模塊化和組合化，一般是按功能單元、結構單元來劃分模塊，然后組合起來成為一臺機器。復合化設計。復合化的基本特點就是將兩個或兩個以上的功能零件組合成一個部件或構件來設計，其功能可以是運動功能、承載功能等。例如，組合凸輪結構的設計就是將兩個凸輪設計成一個零件；一根連桿在組合結構中同時作為兩個或兩個以上機構的結構件。復合化方法可以降低機械的制造成本、減輕機器的重量、縮小機器的尺寸和降低產品的成本。分級結構設計（層次化設計）。復雜的制造設備是由分級的機械結構組成，大功能層次的結構是由若干個分功能結構組成。層次化不僅是功能樹結構的要求，而且也是制造工藝對結構設計的要求。例如，床頭箱由多個輪系組成，而每個輪系又由次一層次的系統組成。復雜機電產品的設計，例如組合挖掘機的設計，集推土機和挖掘機的功能在一起，而共用一個動力系統，在執行系統處分開。層次化結構設計方法在構想分級結構階段，能夠幫助設計者厘清思路，從而找出結構設計的關鍵點，集中解決結構設計中的難點問題。載荷均布性設計。由于機械結構設計的特點，希望載荷分布均勻，充分發揮材料的機械力學性能或者取得降低最大載荷的目的。例如，修形齒輪的設計、對數滾子的設計，為了取得接觸應力的均布，從而修形零件，實現結構的優化設計。行星齒輪減速器的設計也體現了載荷均布性的設計理念，從機構運動學來看只需一只行星齒輪；然而從受力平衡、承載能力和提高齒面的抗磨損來說，三只行星齒輪的結構設計更好。變結構設計。機械結構的創新常常采用變結構的方法，變結構可以改變機械結構的功能，例如，非圓連接形式的成形連接、曲柄滑塊結構設計變為轉動導桿結構設計。變結構可以改變實現功能的形式，例如徑向柱塞泵和軸向柱塞泵的設計。變結構也可以降低機器的設計成本，例如利用死點的桌面支承設計。
3.模型試驗設計。相似模型試驗設計。基于機器物理模型的相似，運用相似科學理論，對于大型的機器設備進行模型試驗設計。通過模型結構設計和試驗分析，獲取機械結構的可靠性、并預測機器的工作性能。模型相似的設計方法已在工程領域有廣泛的運用，例如大型水輪機組的結構設計。通過制造大型水輪機組的模型，測試試驗模型的工作性能以及其可靠性等指標，優化水輪機組的結構設計和工作能力。機械結構的設計方法不是一成不變的，而是隨著人們的發明和新的科學原理的發現，在日新月異地發展，不斷出現新的機械結構設計方法，同時對前人的機械結構設計進行革新。
三、機械結構設計的原理
機械結構的設計必然要依據技術科學的原理，例如：理論力學原理、材料力學原理、彈性力學原理、疲勞力學原理、流體力學原理、熱力學原理、摩擦學原理、聲學原理、智能原理和一切可能的新物理原理。這里討論以上各種原理在機械結構設計中的應用，以期總結機械結構設計的常用原理，討論機械結構設計的原理在今后結構創新設計中的可能性。理論力學原理。理論力學是機構設計的基礎理論，對于機器的運動學和動力學分析，得到的結構必然反映到機械結構的設計中來。例如，軸承轉子系統動力學的設計，其動力學及其穩定性的設計，要求修改軸承的設計和軸的剛度設計。材料力學原理。機械零件的強度和剛度設計是基于材料力學理論的，強度或剛度不足時，就需要修改零件的結構設計。例如，齒輪輪齒接觸強度和齒根彎曲疲勞強度的設計，當齒面接觸強度不足時就要求增大小齒輪的分度圓直徑；當齒根彎曲強度不夠時就要求增大齒輪的模數。彈性力學原理。彈性力學分析是零件應力應變計算的基礎，例如滾動軸承中滾子修形的設計，基于彈性力學的接觸分析，確定滾子的修形曲線和修形量。在機械零件的結構優化設計中，常常用到彈性力學理論。疲勞力學原理。機械零件上的機械載荷在工作過程中常常是變動的，例如汽車中的軸、軸承和齒輪上的載荷都是變化的，這種變化的載荷具有一定的統計特征。變載荷下軸和滾動軸承的疲勞壽命設計等工程內容，已經發展成機械零件的概率設計。
為了更精確地設計機械零部件，疲勞力學在機械結構設計中會得到越來越多的應用。流體力學原理。流體傳動和動靜壓軸承等的設計是依據流體力學原理的，流體力學也是機械結構創新的基本原理之一。例如靜壓導軌的設計、動壓滑動軸承的設計，要依據流體的質量守恒定律、平衡原理等，優化設計的結果要求修改導軌或軸承的結構型式和尺寸參數。熱學原理。熱力學和傳熱學在機械零部件的設計中有很廣泛的應用，導軌的熱精度設計、齒輪和滾動軸承的膠合分析、隔熱結構設計等等。摩擦學原理。耐磨或加快磨損是摩擦學設計的核心，例如圓錐銷的設計、組合螺母的設計，就是為了補償零件的磨損，使得零件在磨損后仍能實現其設計的功能。磨削和拋光制造工藝是利用零件磨損的加工方法。聲學原理。在機械系統的噪聲分析和研究中，依據物理聲學的原理及其分析方法，得到噪聲的頻譜和功率譜等分析結果，以指導機械結構的設計，例如低噪聲滾動軸承的設計。今后，可以考慮利用機械噪聲來進行產品設計，例如聲爆彈的設計、信號中噪聲信息干擾的設計等。智能原理。機械結構設計的原理將向智能化、生物化的方向發展。隨著智能技術的應用，機械結構具有靈敏的智能功能。測試技術、控制理論和信息論是機械結構智能設計的基礎。
工程結構設計原理范文5
[關鍵詞]機械結構；設計方法；設計原理；智能化
中圖分類號：TH111 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）25-0175-01
一、引言
從18世紀以來，機器逐步代替人力勞動，用于做功或轉換能量。做功的機器不僅大大提高了勞動生產率，而且很好地保證和提高了產品的質量。由于機器實現的能量轉換，人們發明了多種多樣的工作機械，提高了人類的生產水平，改善了自己的生活條件。機器的設計是由具體的機構物化為實體的產品，以提供用戶所要求的使用功能。因此，機械的結構設計是產品設計的重要一環，在機械設計課程中，機械結構設計也是非常重要的教學內容。在機械結構的設計中，應“勤于學習、善于思考、勇于探索、敏于創新”，以偉大的接納之胸懷學習前人成果，并以開拓的精神實現偉大的創造。機械結構的設計不是具體案例的機械堆砌，而是有其內在的知識基礎、設計的方法和物理原理。本文擬從機械結構的設計方法和設計原理兩個方面，討論機械結構設計的內在知識和結構創新的基本途徑，但本文不討論機械制造工藝性對機械結構的要求。
二、機械結構設計的方法
1.經驗設計。從現代科學誕生以來，機械科學與技術已有300年的歷史。機械的連接結構、傳動結構和支撐結構等已經積淀有汗牛充棟的實踐案例，但如何掌握這些案例的基本原理和設計方法，而不是記憶這些案例的具體結構設計，這是經驗設計中的關鍵。具體的產品設計，例如車床，其結構設計可以參考前人的設計圖紙，這對于提高設計效率，汲取前人經驗、避免犯前人的錯誤具有實際意義。通過借鑒前人的經驗，可以吸收他人的結構創新方法，同時也拓寬了自己的設計思路。隨著機械結構數據庫的出現和搜索方式的更新，對他人的相關結構設計的學習將更加方便。經驗知識是結構設計的寶貴財富，也是公司的知識資產。通過對國內外同類型專利知識的學習，也是一條提升自己結構設計能力的途徑。另一方面，要注意避免侵犯他人的知識產權?！肮湃藗飨聛淼膶W問，就是裝在船里的貨物?，F在的新潮流、新趨勢，就是行船的風?！痹趯W習他人的結構設計創新點的基礎上，設計者應有自己的革新與發明、自己的創造。
2.理論設計。機械結構設計的理論方法，討論的是機械結構設計的理性方法，具體的有：模塊化和組合化設計、復合化設計、分級結構設計、載荷均布性設計和變結構設計。隨著結構優化、結構可靠性和概率設計等方面的發展和具體應用，機械結構的理性設計方法也在不斷的推陳出新。
模塊化和組合化設計。一臺機器總體是由提供不同功能的結構單元有機的組合而成，因此模塊化的以及模塊之間的組合化就是早期的方法之一。在復雜的機電系統和設備中，模塊化和組合化的設計理念是有效的結構設計方法，同時也是機械制造的方法之一。例如，組合航空母艦的設計概念；我國的組合化機床的設計在上世紀70年代就已經取得了很大的成功。模塊化和組合化，一般是按功能單元、結構單元來劃分模塊，然后組合起來成為一臺機器。
復合化設計。復合化的基本特點就是將兩個或兩個以上的功能零件組合成一個部件或構件來設計，其功能可以是運動功能、承載功能等。例如，組合凸輪結構的設計就是將兩個凸輪設計成一個零件；一根連桿在組合結構中同時作為兩個或兩個以上機構的結構件。復合化方法可以降低機械的制造成本、減輕機器的重量、縮小機器的尺寸和降低產品的成本。
分級結構設計（層次化設計）。復雜的制造設備是由分級的機械結構組成，大功能層次的結構是由若干個分功能結構組成。層次化不僅是功能樹結構的要求，而且也是制造工藝對結構設計的要求。例如，床頭箱由多個輪系組成，而每個輪系又由次一層次的系統組成。復雜機電產品的設計，例如組合挖掘機的設計，集推土機和挖掘機的功能在一起，而共用一個動力系統，在執行系統處分開。層次化結構設計方法在構想分級結構階段，能夠幫助設計者厘清思路，從而找出結構設計的關鍵點，集中解決結構設計中的難點問題。
載荷均布性設計。由于機械結構設計的特點，希望載荷分布均勻，充分發揮材料的機械力學性能或者取得降低最大載荷的目的。例如，修形齒輪的設計、對數滾子的設計，為了取得接觸應力的均布，從而修形零件，實現結構的優化設計。行星齒輪減速器的設計也體現了載荷均布性的設計理念，從機構運動學來看只需一只行星齒輪；然而從受力平衡、承載能力和提高齒面的抗磨損來說，三只行星齒輪的結構設計更好。
變結構設計。機械結構的創新常常采用變結構的方法，變結構可以改變機械結構的功能，例如，非圓連接形式的成形連接、曲柄滑塊結構設計變為轉動導桿結構設計。變結構可以改變實現功能的形式，例如徑向柱塞泵和軸向柱塞泵的設計。變結構也可以降低機器的設計成本，例如利用死點的桌面支承設計。
3. 模型試驗設計。相似模型試驗設計?；跈C器物理模型的相似，運用相似科學理論，對于大型的機器設備進行模型試驗設計。通過模型結構設計和試驗分析，獲取機械結構的可靠性、并預測機器的工作性能。模型相似的設計方法已在工程領域有廣泛的運用，例如大型水輪機組的結構設計。通過制造大型水輪機組的模型，測試試驗模型的工作性能以及其可靠性等指標，優化水輪機組的結構設計和工作能力。機械結構的設計方法不是一成不變的，而是隨著人們的發明和新的科學原理的發現，在日新月異地發展，不斷出現新的機械結構設計方法，同時對前人的機械結構設計進行革新。
三、機械結構設計的原理
機械結構的設計必然要依據技術科學的原理，例如：理論力學原理、材料力學原理、彈性力學原理、疲勞力學原理、流體力學原理、熱力學原理、摩擦學原理、聲學原理、智能原理和一切可能的新物理原理。這里討論以上各種原理在機械結構設計中的應用，以期總結機械結構設計的常用原理，討論機械結構設計的原理在今后結構創新設計中的可能性。
理論力學原理。理論力學是機構設計的基礎理論，對于機器的運動學和動力學分析，得到的結構必然反映到機械結構的設計中來。例如，軸承轉子系統動力學的設計，其動力學及其穩定性的設計，要求修改軸承的設計和軸的鋼度設計。
材料力學原理。機械零件的強度和鋼度設計是基于材料力學理論的，強度或鋼度不足時，就需要修改零件的結構設計。例如，齒輪輪齒接觸強度和齒根彎曲疲勞強度的設計，當齒面接觸強度不足時就要求增大小齒輪的分度圓直徑；當齒根彎曲強度不夠時就要求增大齒輪的模數。
彈性力學原理。彈性力學分析是零件應力應變計算的基礎，例如滾動軸承中滾子修形的設計，基于彈性力學的接觸分析，確定滾子的修形曲線和修形量。在機械零件的結構優化設計中，常常用到彈性力學理論。
本文從機械結構的設計方法和設計原理出發，分析了機械結構設計的基本知識和設計準則。毋庸置疑，機械結構的制造工藝性對機械結構設計有重要的決定性。筆者認為，今后的機械結構創新中仿生設計和智能化是發展的重要方向。
參考文獻
工程結構設計原理范文6
關鍵詞：工程結構計算軟件；課程特點；教學改革
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0104-02
土木工程專業學生經過專業課的學習已經初步掌握了結構設計與施工的基本知識，具備了結構分析和土木工程分析的初步能力。但學生掌握的都是簡單的手算，遠不能滿足工作需求，工作中一般都采用效率更高的電算方法進行結構設計與施工分析，[1]故開設“工程結構計算軟件”是十分有必要的。它是土木工程專業的一門專業選修課，是一門重要課程。其主要任務是使學生了解工程結構計算軟件領域國內外的發展動態，掌握常用工程結構計算分析軟件的應用，具有利用軟件解決土木工程設計與施工問題的初步能力。該課程具有知識結構復雜、工程實踐性強、綜合性強、應用性強，并且與現行規范、規程聯系密切等特點，傳統的教學理念和教學模式難以滿足土木工程專業人才綜合素質教育和創新能力培養的要求。因此，更新觀念、與時俱進，實現教學內容、教學手段和教學方法的全面改革，不斷提高教學質量和效果，是教學過程中需要重點解決的問題，但長期以來，該課程在培養目的和教學方向上與實際教學存在諸多偏差和矛盾，嚴重制約著教學效果和質量。
一、教學現狀
1.教學內容滯后于工程實踐和學生的需求
現行“工程結構計算軟件”課程安排在木科大四上學期，教學時間為32學時（其中16個理論學時，16個實踐學時）。課程每年的選課人數約在230人左右。由于課時較為緊張，課程的安排主要包括三大部分內容：一是介紹國際、國內建筑工程設計領域里常用的結構設計軟件，使學生對當前建筑工程設計行業中常用的結構設計軟件有比較全面的了解；二是操作演示、講解目前在設計單位使用相當普及的PKPM系列建筑結構設計軟件。通過操作演示、講解，使學生熟悉其中常用軟件的基木功能和主要技術條件，熟練掌握各級菜單命令及其操作方法，最終達到能對一般的建筑工程進行結構設計及施工圖繪制的水平；三是實踐教學環節，學生每人一題、獨立操作完成一個簡單工程的結構設計，使學生通過實踐掌握結構設計的過程和一般方法。教學偏重于如何操作軟件的流程演示和講解，且重點在于講解PKPM結構設計模塊，學生接受到的知識基本是如何操作軟件，學生通過模仿亦可掌握軟件的操作。但隨著結構理論和行業水準的提高，目前設計者的主要任務是如何根據規范和結構設計理論對結構進行優化的精細化設計，而非不計方案優劣和成本的粗放型設計。用人單位也反饋學生工作后上手較慢，對結構優化設計的概念不明確，因而，教學重心應該放到如何應用軟件輔助結構設計與優化分析。此外，目前絕大部分土木工程專業畢業的本科生均會從事施工管理相關工作，工程結構計算軟件課程應當照顧到這部分學生，而目前主要針對設計講解的教學模式，不利于這部分從事施工管理的學生實際工作能力的提高。
2.講授內容單一且缺乏合適教材
目前尚未有“工程結構計算軟件”專門的教材，僅有相關的幾本關于PKPM的教材，所講授的PKPM版本早已被新版本所取代，計算結果與現行規范不符，而關于工程中用到其他軟件很少有專門的教材，因而亟待編寫一種綜合常用計算輔助軟件的綜合性教材。該課程應該轉變原來僅講授PKPM一種軟件的模式，轉變為以PKPM為主，同時對MIDAS/Building、理正工具箱、結構力學求解器等軟件進行講解。
3.教學模式單一、學生學習積極性不高
傳統的教學模式主要是靜態封閉和“填鴨式”的教學過程，教學以多媒體演示為主，方法簡單、手段單一，授課內容缺乏直觀感和立體感。教師“講”，學生“聽”，師生間缺乏互動，學生處于被“灌輸”的知識狀態，學習熱情不高，課堂氣氛沉悶，教學效果欠佳。隨著社會的發展和教育的改革，傳統的教學模式不再能滿足新型的研究型和創新型人才培養目標的要求，必須革新教學方法、優化教學手段，努力培養適應時展需要的工程應用型和創新型人才。[2]
二、教學改革探討
“工程結構計算軟件”課程教學改革必須以土木工程專業創新、應用型人才培養這一大背景為前提，依據課程的教學目標精選教學內容，革新教學理念，豐富教學手段，不斷加強教師的業務水平，提高學生的綜合素養，達到教學相長、共同進步的目的。具體改革措施如下：
1.編制教材，明確教學重點
工程結構計算軟件應分為兩大核心內容：建筑結構設計、施工輔助設計。編制教材分三部分。第一部分：介紹結構計算軟件的發展現狀及各個軟件的擅長方向；第二部分：介紹房屋結構設計，包括框架結構設計、樓梯設計和基礎設計，選擇框架結構是因其結構簡單、受力明確，且是畢業設計的主要結構類型，便于學生畢業設計時與手算對比[3]；第三部分：介紹結構計算軟件在施工中的應用，包括腳手架（支架）設計、模板設計、施工中臨時支護結構設計。
第一部分結構計算軟件發展概述，重點介紹各計算軟件擅長計算的結構類型。第二部分建筑設計在教材中的章節順序一般是對PKPM結構計算各模塊進行詳細的講解，且重點講解各級菜單的操作。隨著程序的優化，程序操作更加人性化且易上手，課程的重點應放在房屋建筑結構設計技術部分，即重點講解參數選取而非操作本身。因此，該部分重新整合、提煉后的教學章節順序應為PKPM操作界面介紹、框架結構設計與分析，包括PMCAD建模、SATWE分析、梁柱施工圖、LTCAD和JCCAD，重點闡述電算與手算的對比和聯系，結合規范講解參數選取，并對計算結果進行校核分析。這樣，重點更突出，思路更清晰、流暢，便于課程組織，有利于學生深入理解電算的原理，進而舉一反三，了解其他結構類型的電算。第三部分結構計算軟件在施工中應用，大部分土木工程專業的本科畢業生將來主要從事建筑工程施工管理，而目前尚未有教科書涉及到該部分內容，故該章節結合當今施工中的常見問題重點講解兩個專題：腳手架（支架）設計根據一腳手架手算設計實例，結合設計規范分別采用平面計算程序、空間計算程序進行闡述；施工臨時支護結構設計分別采用平面、空間計算程序對施工中常見的臨時結構進行分析計算。
2.拓寬知識傳播渠道，全方位講授知識
傳統的軟件類課程授課重點為軟件操作演示。軟件操作較為瑣碎，講解耗時較長，因而軟件類課程將絕大部分課時均放在了對操作的講解上。軟件實質上僅是一個計算工具，操作人對相關規范的理解、基本理論的掌握水平和對電算基本原理的理解程度決定了軟件的計算分析是否符合實際。即使掌握了軟件的操作方法，如果參數選取不合適，結果未和規范相結合，則難以指導實際工程，未達到開設該課程的目的，故有必要對電算基本原理、參數選取和后處理進行講解。因而，該課程需要解決如何在少學時的情況下兼顧到軟件操作、參數選取、電算原理和后處理的講解。
有一種方案可以加快軟件操作講解，因學生初次接觸結構計算軟件，講解過快的話學生不能掌握，達不到教學效果。另一種方案就是課堂上講解主要操作流程和重要操作過程，然后把時間分配到電算基本原理、結合規范選取計算參數和后處理上面，為便于學生課下吸收，課堂講解過程中開啟屏幕錄像軟件，將授課過程中軟件的操作和解說全程錄像制作成視頻。同時，對于一些具體簡單的操作和課上來不及講解的操作在課下制作成演示視頻，供學生自學。目前網絡存儲容量大、速度快，因而可建立網絡硬盤，將上述視頻后上傳至網盤，方便學生下載學習。為便于學生自學后問題的解答，建立qq群，便于輔導學生，且可在群論壇討論問題，借助于網絡拓展了教學手段。[4]當然建立網絡課堂是更為有效的辦法，在課程建設中應嘗試建立網絡課程。[5]
三、結語
工程結構計算軟件是土木工程專業的核心課程，是學生專業知識的匯總，同時也為學生走向工作崗位對知識的應用進行了培訓，亟待在講解中突出重點，且通過視頻錄制、網絡存儲和QQ群和論壇等方式為課題講解提供有力補充，通過多角度全方位的授課方式使學生在理解的基礎上深入掌握工程計算軟件，為今后的工作奠定基礎。
參考文獻：
[1]劉佩.關于土木工程專業研究生教學的兩點體會[J].中國電力教育，2013，（8）：79-80.
[2]何雙華，曾桂香.“土木工程施工”課程教學現狀及改革初探[J].中國電力教育，2012，（2）：60-61.
[3]陳道政.建筑工程專業畢業設計教學中幾個關鍵環節的質量控制[J].高等建筑教育，2010，19（3）：127-129.
