“材料力学”精品课程建设第2讲——新挑战

第 2 讲
后续课程的变革与学生的需求
哈工大机械专业毕业设计时学生的新需求
作为“机械设计”课程的先修课程“材料 作为“机械设计”课程的先修课程“ 力学” 力学”，理所当然地要提供给后续课程以 最强有力的基础知识支撑。 最强有力的基础知识支撑。后续课程的改 革和学生毕业设计的需求， 革和学生毕业设计的需求，材料力学应提 供怎样的基础知识， 供怎样的基础知识，这是向传统材料力学 课程教学的又一严峻挑战。 课程教学的又一严峻挑战。
第 2 讲
工程师力学新知识的现状
1997年到2000年间， 1997年到2000年间，我们曾与国内一家著名的车辆 年到2000年间 厂的工程师们合作， 厂的工程师们合作，研究铁路巨型载重车辆的结构分 析课题（算是一次社会调查）。 析课题（算是一次社会调查）。 当时，合作单位拥有雄厚的计算机硬件和软件条件。 当时，合作单位拥有雄厚的计算机硬件和软件条件。 尤其是ANSYS ADINNA、 ANSYS、 Sap等原版的大型 尤其是ANSYS、ADINNA、Super Sap等原版的大型 结构分析软件应有尽有。 结构分析软件应有尽有。 参加课题的工程师们都是具有十几年工龄的国内著名 铁道院校的优秀毕业生， 铁道院校的优秀毕业生，他们在校期间曾主修多学时 材料力学课程。但是除理论力学、材料力学外， 材料力学课程。但是除理论力学、材料力学外，没修 过其它力学课程。 过其它力学课程。 应该说，完成这项研究工作已万事俱备了。 应该说，完成这项研究工作已万事俱备了。
σ = 1
2 kM ≤[ w] σ 1 b 1m 1 d y y 1 ≤[ w] σ 2 y 2
σ =σ 1 1
第 2 讲
后续课程的变革与学生的需求
例如，传统机械零件中齿轮设计（分析计算） 例如，传统机械零件中齿轮设计（分析计算）公式 将齿轮作为悬臂梁，引用梁的弯曲公式，再加上修正系数 现在的设计方法是：估算加有限元精确计算与分析 现在的设计方法是：
第 2 讲
后续课程的变革与学生的需求
材料力学最直接的后续课程是“机械设计” 多学时） 材料力学最直接的后续课程是“机械设计” （多学时） 机械设计基础” 少学时）（原称“ ）（原称 或“机械设计基础”（少学时）（原称“机械零 ）。据我所知 目前哈工大“机械设计” 据我所知， 件”）。据我所知，目前哈工大“机械设计”课程教 学内容已经改革。表现在： 学内容已经改革。表现在： 那里不再满足研究诸如轴类、螺栓等杆件零件； 那里不再满足研究诸如轴类、螺栓等杆件零件；对一 些非杆件类零件（像齿轮、箱体等）的设计与分析、 些非杆件类零件（像齿轮、箱体等）的设计与分析、 计算，也不再满足以往那样设计（经验） 计算，也不再满足以往那样设计（经验）公式估算或 查手册。用有限元对齿轮、箱体进行精细的应力分析， 查手册。用有限元对齿轮、箱体进行精细的应力分析， 已经代替了以往经验公式的估算， 已经代替了以往经验公式的估算，并作为课程设计的 一个重要内容。 一个重要内容。
第 2 讲
计算机技术和现代信息技术的影响
第 பைடு நூலகம் 讲
工程设计、分析、 工程设计、分析、制造理念和方法的 深刻变革
计算机技术的广泛应用，使得以往那种用丁子尺、三 计算机技术的广泛应用，使得以往那种用丁子尺、 角板画图；拉计算尺或摇手摇计算机进行工程分析、 角板画图；拉计算尺或摇手摇计算机进行工程分析、 计算；摇手柄加工机械零件的工程设计、分析、 计算；摇手柄加工机械零件的工程设计、分析、制造 方法已经成为历史，目前， 方法已经成为历史，目前，全新的计算机辅助设计 CAD）、计算机辅助分析（CAE）、 ）、计算机辅助分析 ）、计算机辅助制 （CAD）、计算机辅助分析（CAE）、计算机辅助制 造（CAM），已成为工程师手中的得力工具。 CAM），已成为工程师手中的得力工具。 ），已成为工程师手中的得力工具 CAD、CAE、CAM的广泛使用，使得工程设计、分 CAD、CAE、CAM的广泛使用，使得工程设计、 的广泛使用 析与制造的理念、思想与方法等均发生着深刻变革。 析与制造的理念、思想与方法等均发生着深刻变革。
第 2 讲
工程师力学新知识的现状
但是，待到研究工作开始不久， 但是，待到研究工作开始不久，却发生了意想不到的 事情，他们不能胜任这项工作，感到应力、 事情，他们不能胜任这项工作，感到应力、应变分析 工作是件很棘手的事情： 工作是件很棘手的事情： 3. 更糟糕的是，既便是计算工作一切顺利，并得 更糟糕的是，既便是计算工作一切顺利， 到了计算结果，但面对那些色彩斑斓的应力、 到了计算结果，但面对那些色彩斑斓的应力、 变形云图，却不会分析计算结果的正确与否。 变形云图，却不会分析计算结果的正确与否。
第 2 讲
工程设计、分析、 工程设计、分析、制造理念和方法的 深刻变革
主要表现在以下几个方面： 主要表现在以下几个方面： 强度的统计分析、 3. 强度的统计分析、结构的可靠性分析等已受到 工程师们的普遍关注。 工程师们的普遍关注。 4. 运用弹塑性理论、断裂力学、损伤力学、非线性 运用弹塑性理论、断裂力学、损伤力学、 力学、有限元分析等力学知识，已经成为大型、 力学、有限元分析等力学知识，已经成为大型、 复杂工程结构分析的热点问题。 复杂工程结构分析的热点问题。 5. 新型结构材料的不断涌现和广泛使用，复合材料 新型结构材料的不断涌现和广泛使用， 力学也成为工程设计与分析的理论依据。 力学也成为工程设计与分析的理论依据。 5. 结构动力学、多刚体动力学等，也广泛地应用到 结构动力学、多刚体动力学等， 高速运动结构的设计、分析中。 高速运动结构的设计、分析中。
上世纪六十——七十年代
贯彻“独立自主” 贯彻“独立自主”、“自力更生”政策。自行设 自力更生”政策。 计与制造，不需要参考文献， 计与制造，不需要参考文献，最高的目标就是在 产品上打上“中国制造”的标牌。 产品上打上“中国制造”的标牌。
第 2 讲
工程师的任务与使命的历史变迁
上世纪八十——九十年代
改革开放，建设中国特色社会主义。引进国外先 改革开放，建设中国特色社会主义。 进技术和大型装备，并消化与吸收。 进技术和大型装备，并消化与吸收。 工程师的主要任务是消化与吸收国外先进技术， 工程师的主要任务是消化与吸收国外先进技术， 当然也有创造，但不是主要的。仍然停留在“ 当然也有创造，但不是主要的。仍然停留在“中 国制造”阶段。但此阶段， 国制造”阶段。但此阶段，工程师们已经有了些 国际化视野，需要参考文献。 国际化视野，需要参考文献。
第 2 讲
工程师力学新知识的现状 这充分说明，对于当代工程师， 这充分说明，对于当代工程师，仅仅具有 理力、材力、结力知识是远远不够用的。 理力、材力、结力知识是远远不够用的。 因为他们要尽善尽美设计， 因为他们要尽善尽美设计，并精确分析一 个复杂的工程结构，这个结构元件有块体、 个复杂的工程结构，这个结构元件有块体、 有杆件、有平板、有曲板，已经不再是杆 有杆件、有平板、有曲板， 件或杆件结构的简单变形问题了。 件或杆件结构的简单变形问题了。工程师 们缺乏力学新知识的现实状况， 们缺乏力学新知识的现实状况，向传统的 材料力学课程教学发起了严峻挑战。 材料力学课程教学发起了严峻挑战。
第 2 讲
后续课程的变革与学生的需求
例如，传统机械零件中齿轮设计（分析计算） 例如，传统机械零件中齿轮设计（分析计算）公式 将齿轮作为悬臂梁，引用梁的弯曲公式，再加上修正系数
以 柱 齿 为 圆 直 轮 例 设 式 计 m≥1 6 . 3 验 式 算 kM 2 z ( ± ) y σw] i 1ψ [ 1
进入本世纪
提升国际竞争力，建设创新型国家。 提升国际竞争力，建设创新型国家。追求科学技 术的创新、产品的创新； 术的创新、产品的创新；要求掌握核心技术和渴 求核心技术的创新。 求核心技术的创新。
第 2 讲
工程师的任务与使命的历史变迁
进入本世纪
提升国际竞争力，建设创新型国家。 提升国际竞争力，建设创新型国家。追求科学技 术的创新、产品的创新； 术的创新、产品的创新；要求掌握核心技术和渴 求核心技术的创新。 求核心技术的创新。 我们不再满足在产品上打上“中国制造”的标牌。 我们不再满足在产品上打上“中国制造”的标牌。 最高的目标是要在产品上打上“中国创造” 最高的目标是要在产品上打上“中国创造”的标 即从“中国制造” 升华到“中国创造” 牌。即从“中国制造” 升华到“中国创造”。
第 2 讲
工程师的任务与使命的历史变迁
进入本世纪
创新型国家， 创新型国家，要求具有自主知识产权和掌 握核心技术以及核心技术的创新。 握核心技术以及核心技术的创新。当代工 程师所肩负的任务和历史使命是： 程师所肩负的任务和历史使命是：必须站 在时代的高度，张开国际化视野， 在时代的高度，张开国际化视野，瞄准国 际最先进的科学与技术，不断的创造、 际最先进的科学与技术，不断的创造、创 实现从“中国制造” 中国创造” 新，实现从“中国制造”向“中国创造” 这一历史性跨跃。 这一历史性跨跃。
第 2 讲
工程设计、分析、 工程设计、分析、制造理念和方法的 深刻变革
主要表现在以下几个方面： 主要表现在以下几个方面： CAD、CAE可交替进行 这样，那种快捷、 可交替进行。 1. CAD、CAE可交替进行。这样，那种快捷、周 详实、准确、复杂地计算机分析、 密、详实、准确、复杂地计算机分析、计算与仿 完全取替了以往那样靠查表、 真，完全取替了以往那样靠查表、靠用经验公式 估算的方法，能够实现真正意义上的优化设计。 估算的方法，能够实现真正意义上的优化设计。 2. 结构的累计损伤、允许构件或结构局部进入塑性 结构的累计损伤、 状态等的强度分析思想， 状态等的强度分析思想，已代替以往那种以构件 内一点进入危险状态， 内一点进入危险状态，整个构件就失效的过于保 守的强度分析思想。极限载荷法—— ——极限应力法 守的强度分析思想。极限载荷法——极限应力法
第 2 讲
工程师力学新知识的现状
但是，待到研究工作开始不久， 但是，待到研究工作开始不久，却发生了意想不到的 事情，他们不能胜任这项工作，感到应力、 事情，他们不能胜任这项工作，感到应力、应变分析 工作是件很棘手的事情： 工作是件很棘手的事情： 1. 面对复杂的工程结构，他们不会抽象力学模型， 面对复杂的工程结构，他们不会抽象力学模型， 更谈不上选取单元类型。 更谈不上选取单元类型。 2.不知边界条件该如何给出。 2.不知边界条件该如何给出。甚至不懂什么叫应 不知边界条件该如何给出 力边界条件，什么叫位移边界条件， 力边界条件，什么叫位移边界条件，什么叫混 合边界条件。更甚者连结构存在的对称关系都 合边界条件。更甚者连结构存在的对称关系都 看不出来。 看不出来。