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1、复合材料力学教学研究与实践 【摘要】通过对复合材料力学教学现状的分析,对复合材料力学教学内容、教学方法进行了探讨。提出了复合材料力学专业人才必需具备肯定的力学和数学基础,以适应社会对复合材料专业人才的需求,在教学方法上,通过一系列的教学环节与教学实践,加深学生对教学内容理解和应用,培育了学生独立分析和解决问题的实力。 【关键词】复合材料力学 教学探讨 实践 【中图分类号】G424【文献标识码】A【文章编号】1019-9646(2022)11(a)-0120-02 复合材料力学是固体力学的一个新兴分支,它探讨由两种或多种不同性能的材料,在宏观尺度上组成的多相固体材料,即复合材料的力学问题。与常规
2、材料的力学理论相比,复合材料力学涉及的范围更广,探讨的课题更多。由于复合材料有不匀称和各向异性的特点,以及材料几何(各材料的形态、分布、含量)和铺层几何(各单层的厚度、铺层方向、铺层依次)等方面可变因素的增多,常规材料存在的力学问题,如结构在外力作用下的强度、刚度,稳定性和振动等问题,在复合材料力学中都必需重新探讨;复合材料中还有很多常规材料中不存在的力学问题,如层间应力(层间正应力和剪应力耦合会引起困难的断裂和脱层现象)、边界效应以及纤维脱胶、纤维断裂、基体开裂等问题也是复合材料力学的基本内容。复合材料的材料设计和结构设计是同时进行的,因而在复合材料的材料设计(如材料选取和组合方式的确定)、
3、加工工艺过程(如材料铺层、加温固化)和结构设计过程中都存在力学问题。因此复合材料力学既要解决常规材料的力学问题,又要解决复合材料特有的力学问题。通过对复合材料力学的教学,使学生能够驾驭复合材料的基本概念和理论,进行单向板、层合板分析,进而进行结构设计,解决生产与工程应用的实际问题。本课程的基本概念和公式多,理论抽象,计算与公式推导较难,学生系统驾驭该课程的内容比较困难。为了使学生更好地驾驭其基本原理和实际应用,培育高素养的复合材料专业技术人才,有必要进行复合材料教学的现状分析与探讨。 1 复合材料力学的教学现状分析 同济高校复合材料方向设立已有5年,第一届毕业生也已毕业1年,作为干脆参加专业方
4、向设立与教学的一线老师,欣喜地目睹着复合材料专业方向的成长,同时也深深的感到一门课程建设必需投入人力物力进行系统探讨。复合材料方向是建立在我院材料学大平台基础上,就复合材料力学而言,其课程内容的设置有其特有的要求,在国内,复合材料专业(方向)许多都设在材料学科,这无疑是正确的,然而在国外,该专业或方向的设立大多在力学学科或土木工程学科,分析其缘由,我觉得有其合理的一面,因为复合材料其材料成型与结构成型同时完成的。在成型过程中,一般要经验三个层次的设计:材料设计,包括对基体材料材料和增加材料的选择;单层板设计,包括单层板中各组分比例,单层板工程弹性常数及刚度预料;结构设计,包括结构所能承受的各种
5、载荷以确保运用寿命内平安;供应装置各种配件、仪器等附件的空间等。可以说,复合材料的设计、制备和运用首先考虑力学问题。我院在复合材料方向课程设置时,支配了复合材料力学课程,突破了很多材料学科制备复合材料时以正交试验方法筛选材料的方法,真正体现了复合材料的特点:复合材料可设计性。 复合材料力学是以固体力学特殊是其中的弹性力学为基础的。我院复合材料方向没有开设弹性力学等力学课程。不仅如此,由于复合材料在我院是一个新的方向,与材料学院其他方向设有相同的基础课程,其力学、数学基础远远不能满意进一步学习复合材料力学的要求,与社会对复合材料专业人才的需求要求相差甚远。 2 课程教学内容的探讨 在目前的教学安
6、排下课时,要添加诸多力学存在着教学课程过多,学生负担过重等问题。作为复合材料力学的授课老师,我深感复合材料方向学生力学基础的薄弱,要想吃透复合材料力学的内容存在困难。为此,有必要探讨针对我院复合材料专业方向的特点设置的复合材料力学的内容。主要设想通过对复合材料力学所需的数学、力学基础的系统探讨,在现有的复合材料力学课程中添加必要的数学、力学内容;对现有教材的内容进行优化,使学生能适应复合材料设计的须要。增设复合材料结构设计案例 依据上述设想,在复合材料力学中增设数学内容如下: (1)张量基础 (2)复变函数数学基础 (3)变分法概要 同时增设弹性力学的内容如下: (1)体力和面力 (2)应力与
7、应力张量 (3)二维应力状态与平衡微分方程 (4)应力状态的描述 (5)边界条件 (6)主应力与应力主方向 (7)应力球张量和球应力偏张量 还增设了结构设计案例-依据经典层合板理论,建立0/45/90层合板模量和强度与各铺设角层数一百零一分比的关系曲线,即层合板设计,通过这些内容的添加,使复合材料专业的学生能基本驾驭复合材料的基本学问,具备初步工程分析与设计实力,适应日益严峻的就业与生产实际需求。 3 教学方法探讨,培育学生逻辑思维及实际应用实力 3.1 教学方法 复合材料力学课程的教学中老师多习惯于讲授基本概念和繁琐的数学推导与计算。这种教学模式缺乏感知相识,学生感到很枯燥,在教学工作中注意
8、转变教化观念与人才培育模式,运用启发探讨式教学方法,提高学生对复合材料力学课程的学习爱好,激发学生独立思索和创新意识,有利于提高教学质量。本课程的理论性较强,基本概念和公式较多,内容抽象难懂,在课堂教学中采纳启发探讨式教学方法,突出重点和难点内容,对抽象的理论进行总结归纳。一般实行的程序是见图1: 通过这些教学环节,加深学生对教学内容理解和应用,同时启发学生自己设计提出问题加深了学生对化工热力学基本学问和理论的理解,培育了学生独立分析和解决问题的实力,能够更好地解决实际问题 3.2 教学形式 依据复合材料力学课程特点,制作了复合材料力学多媒体教学课件。课件主要利用Flash、Photoshop
9、、Powerpoint等软件,通过供应大量的视频、动画和图片,能够形象、直观地表现抽象、晦涩的教学内容。例如:从应力张量的分解,微分六面体的应力平衡很自然的就可得出平衡微分方程。 3.3 实践教学 为了激发学生的学习爱好和创新意识,在教学中增加了课程设计。课程设计的素材均来源于实际工程。带着问题学习会增加学生的责任感和主动学习意识,以达到变被动为主动的教学目的。图2是设计流程 作为加深教学内容理解的小设计,虽然比较简洁,但加强了学生的学习爱好,开阔了视野,取得了较好的学习效果强化了学生实际应用的实力,为今后的工作打下了坚实的基础。 4 结论 通过教改项目的实施,增加了学生主动学习的自觉性,增加
10、了学生的创新意识,提高了复合材料力学课的教学质量。从这一轮的实践教学来看,这种做法是胜利的。学生的整体学习状况与学习成果令人激昂。今后还应将这一实践环节进一步制定成教学安排进行实施。以达到培育学生实践实力和创新意识这一目标。 参考文献 1 赵渠森.先进复合材料手册,北京:机械工业出版社,2002. 2 沈观林.胡更开.复合材料力学.北京:清华高校出版社,2022. 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页