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工程结构设计原理范文1
关键词：卓越工程师：应用型人才：教学改革
G642；TU-4
引言
《混凝土结构设计原理》是土木工程专业必修的专业基础课，是一门理论和实践结合紧密的课程，具有逻辑性强和工程性强的特点。内容包括：混凝土结构材料性能、混凝土结构设计原则、受弯构件正截面受弯承载力计算、受弯构件斜截面受弯承载力计算、受压构件承载力计算、受扭构件扭曲截面受扭承载力计算、钢筋混凝土构件的变形、裂缝验算、预应力混凝土构件的设计原理[1]。
为推进教育部提出“卓越工程师教育培养计划”，加强工程实践教育，培养适应行业企业需求的工程人才，本文基于土木工程卓越工程师培养要求，就土木工程专业《混凝土结构设计原理》教学改革进行探讨。
一、课程特点及教学现状
1、课程内容覆盖面广，分模块
本课程包括材料性能、设计原理、各类构件的受力性能、破坏特征及配筋计算。主要计算模块包括拉、压、弯、剪、扭五大部、绕度和裂缝的耐久性验算及预应力计算。教学内容繁多，复杂，学生难以全面掌握各个模块。
2、需要以扎实的材料知识和力学知识为基础
学习本课程需要学生教好的掌握建筑材料及材料力学两门基础课程。混凝土结构设计原理研究的对象就是混凝土和钢筋两种材料的结合体，计算的理论推导大部分是基于材料力学公式，这就要求学生必须掌握好@两种材料的基本性能，也要熟练掌握材料力学的基本公式。
3、半理论半经验的计算公式
本课程涉及到的计算方法是以试验为基础，建立半理论半经验计算公式，计算也要符合相关的基本假设。公式多，公式复杂，符号多，计算结果的不唯一性等等原因，导致学生一时难以接受，学习提不起兴趣，抽象难懂，积极性很低，往往导致最终的考试成绩很不理想。
4、规范规定的构造要求多
对于复杂、不便计算的内容，本课程采取按照规范条文取值，构件截面形式、尺寸、钢筋直径、间距、布置要求都有所不同。这部分内容具有零散、系统性差、逻辑性不强的特点，学生容易混淆概念、难以记忆。
5、理论与实际结合紧密
在学习本课程过程中，要时时考虑安全和经济两者之间的平衡，不仅要掌握如何通过计算来保证结构的安全可靠，同时也要综合考虑材料、施工、构造要求等方面，以此来取得施工最方便快捷，经济利益最大化。学生在学习过程中往往只注重如何保证计算的安全与否，未能中和考虑安全和经济两个方面。
二、课程改革思路探讨
基于本课程具有以上特点，以及教师教学和学生学习过程中存在各种问题。为了激发学生学习兴趣、引导学生自主思考、深刻理解计算理论及设计方法，我们认为可以从教学内容、教学方法及考核方式三个方面入手进行改革。
1、教学内容改革
混凝土结构设计原理课程内容多、范围广，教师应找出各章节前后联系，形成一个骨架，使各章节知识融会贯通，这样不仅学习起来有脉络和层次，也容易使分模块的课程内容串成一串，加深印象，提高学习效率；对构造要求部分，教师要做到少而精讲解，不能过多罗列，这样容易使学生失去学习兴趣；在课程中引入工程实际教育，应利用已有资源或者创造资源为学生增设实验课程，比如可以进入企业或者试验室参与一段梁的制作过程，并利用已学知识对其进行计算，验算实际承载力与理论值的偏差，让学生对所学知识有一个直观的认识[2]。
2、教学方法改革
启发式教学。该课程的特点决定了其上课内容枯燥乏味，所以在教学过程中，如何来提高学生听课积极性就显得尤为重要，启发式教学的引入能有效的解决这一个问题。按照提出问题、分析问题、解决问题、讨论总结的模式在课初就提出问题，让学生带着问题听课，启发和引导学生主动思考。例如，在进行一个梁截面受弯设计时，想学学生提出如何来保证梁本身的承载能力、如何使施工更为方便，并且达到经济最省的效果[3]。启发式的教学方式能够引起学生的听课兴趣，还能提高教学质量。
网络教学。引入微课和翻转课堂，微课教学视频课时十分钟以内，针对个知识点进行教学具有目标明确、针对性强和教学时间短的特点，学生在较短时间内能够将某一个知识点学透，理解深刻[4]。比较符合结构设计原理课程内容分模块特点。翻转课堂让教师和学生互换角色，学生在课上变被动接受知识为主动讨论，学生自主学习能力能得到提升，课堂氛围和学生听课兴趣都能大幅提升。
实践性教学。
卓越工程师人才培养可聘请企业教师进行混凝土结构设计原理课程上课，提高学生的工程实践认识。施工企业教师可将构造要求讲的丰富透彻，设计院教师能从全方位综合考虑来进行梁柱板的设计。此外，学校可以为学生提供场所做有针对性的开放性试验，让学生根据所学原理来进行试验设计，试验总结。
3、考核方式
混凝土结构设计原理是一门跟国家规范联系非常紧密的课程，在工程应用中经常要查阅相关规范进行计算设计，而且本课程中的公式的记忆量又相当大，所以传统的考核方式并不适合，可采取开卷和闭卷相结合的方式。对于概念性较强的内容可采取闭卷方式考核，题目类型为选择、填空、简答为主；计算部分采取开卷考核，用工程实际例子改成合适的计算题对学生进行综合考核，提高了学生的工程实践认知，也锻炼了学生职业资格考试能力。采用平时考核（占课程成绩的10%）、实验考核（占课程成绩的20%）和期末有限开卷考试（占课程成绩的70%）相结合的考核方式。
三、结语
《混凝土结构设计原理》是一门理论和实际联系紧密的课程，工程概念强，应以力学知识为基础，结合设计规范，加强理论和实践的联系。学校根据教育部文件制定“卓越工程师教育培养计划”培养计划，我们通过在教学内容、教学方法和考核方式进行研究探讨，在混凝土结构设计原理课程教学实践中，紧紧围绕学校培养目标，积极探索新的教学方法，提高教学效果，培养学生的分析思考能力和创新意识，使学生真正掌握这一课程，使之成为名符其实的卓越工程师。
参考文献：
[1] 曹海，叶恭宝.混凝土结构设计原理课程教学改革探索.《黄山学院学报》.2014年05期
[2] 郭锐娥. 《混凝土结构设计原理》课程的教学改革探索[J]. 科学与财富， 2015， 7（16）： 9-9.
[3] 沈浦生， 梁兴文. 混凝土结构设计原理[J]. 2005.
工程结构设计原理范文2
关键词：道桥专业；项目模块；实践环节；人才培养
中图分类号：G6420 文献标志码：A 文章编号：10052909（2017）02006204
混凝土结构设计原理课程内容丰富，与实际联系较紧密[1]，在道桥专业中处于十分重要的地位。分析道桥专业课程体系的特点，课程的定位明确：既是导前课程在实际中的应用，又是后续课程的基础，如图1所示。
从图1中不难发现，混凝土结构设计原理作为专业课程体系的“桥梁”，实践性较强，既在综合应用中巩固了基础课程知识，又在循序渐进的学习过程中为后续课程打下了基础。因此，学生对该课程掌握的情况对专业技能的培养影响较大。文章结合混凝土结构设计原理的特点和课程体系中的定位，对该课程的教学做了探索性思考和总结。
一、混凝土结构设计原理课程教学存在的问题
作为道桥专业的学位课程，该课程的要求较高，但学生掌握的情况不够理想。以三峡大学科技学院为例，课程的最终成绩由闭卷考试的卷面成绩（60%）、实验成绩（20%）和平时成绩（20%）综合评定。从2013级道桥本科专业成绩分析结果来看，达到合格标准的只占70%，优良的只占18%，如表2所示。
结合该课程的特点和学生学习的情况，很多专业教师就教学方法和教学手段的改革进行了探索，提供了较多好的方法和建议[2～4]，但仍然存在如下问题。
（一）理论和实践学时不均衡，缺乏实践训练
为强化学生对理论知识点的熟悉程度，混凝土结构设计原理课程的授课往往以理论教学为主，实践环节学时占比较少，部分高校学时分配如表3所示。
（二）教材例}设置过于简化，未结合工程实际
混凝土结构设计原理教材例题的侧重点在于对基本计算理论的巩固，往往在设置时简化了大部分内容，学生在练习的过程中过于依赖例题，缺乏分析思维和解决问题能力的训练。比如矩形截面设计问题，实际工程的设计过程是结构计算简图的抽象结构荷载分析不同荷载的作用效应计算内力最不利的组合截面尺寸的拟定材料的选择设计计算构造性要求变形和裂缝验算结构施工图，而教材由于篇幅的限制和侧重点的不同，将大部分例题的设计过程设定为设计计算构造性要求配筋图，虽然节约了大量教学时间，但不符合工程实际，也渐渐抹杀了学生的创新和分析能力。
（三）课程设计的实践训练过于集中，收效甚微
道桥专业在相应实践教学环节中均会设置混凝土结构设计原理的课程设计，目的是综合训练学生查阅资料、分析问题和设计的初步能力，一般要求学生一周完成设计。课题内容较多，任务量较大，加上同一学期其他专业课程的要求，学生为完成任务要么依赖例题，要么抄袭别人的成果。此外，混凝土结构设计原理的课程设计一般为梁板结构设计，偏向土木工程房建方向，而道桥专业后一学期的桥梁工程课程为混凝土简支梁桥的设计，其大部分内容是重复的，因此，对于道桥专业学生而言，混凝土结构设计原理课程设计的效果不佳。
三、基于项目模块教学方法的探索
专业课程的理论知识是实际工程应用的基础，传统的教学模式使得混凝土结构设计原理课程慢慢地独立于专业课程体系之外，不符合应用技术型人才培养模式的要求，为增强学生的专业综合素质和就业优势，文章以项目模式为基础对该课程的教学做了探索。
（一）项目模块的设定与课程内容的对应
结合道桥专业的需求，将现浇混凝土桥梁工程作为项目模块分解混凝土设计原理课程，设定4个项目模块及10个子模块，与课程内容的对应关系如图1所示。
以项目模块分解课程内容不仅让课程教学更加符合理论应用于实践的宗旨，也让学生在学习过程中逐渐学会了如何解决实际工程中的五大类问题，即材料如何选择？截面如何设计？钢筋用量如何计算？施工图如何绘制？结构质量如何控制？
（二）项目子模块的实践环节
实践教学环节作为理论知识的应用在专业教学中尤为重要，由于条件和学时的限制，传统的混凝土结构设计原理课程实践仅仅是在课程设计中体现，并没有达到综合训练的目的，因此，以项目模块驱动的课程教学在子模块中设定了三大类实践任务和10个训练项目，理论与实践紧密结合，综合训练学生的分析、动手能力，如表4所示。
（三）项目模块教学课程考核方案的思考
考核是学习成果检验的重要环节，也直接引导了学习的目的性。传统的考核方案以闭卷考试为主，使得学生习惯性养成了以应试为目的学习态度，上课敷衍了事，考前死记硬背，逐渐形成了高分低能、无法解决实际问题的怪相。
为培养具有较扎实理论基础和较强实践能力的应用技术型人才，在以项目模块设定的教学模式基础上，对课程的考核方案做了如下思考。
（1）放弃闭卷考试的考查。混凝土结构设计原理课程本身就具有公式多、条件多的特点，记忆大量的公式和公式条件并不是学习该课程的主要目的，学会步骤分析的方法，学会解决不同条件下的实际问题才是学习这门课程的宗旨，显然闭卷考试并不能客观反映学生对课程的掌握程度。
（2）以平时成绩、子模块实践训练项目成绩综合评定。如表5所示考核方案，平时成绩的考核主要训练学生的学习态度，项目设计成绩考核主要强化学生对设计理论和规范的应用，实验成绩考核主要训练学生的动手和分析能力，实训成绩考核主要考查学生对实际工程问题的判断和写作能力。
（3）为增强课程考核要求的约束性，设定学分和学位获得条件，如表6所示。
四、结语
以实际项目模块为基础，将混凝土结构设计原理的理论课程分解到项目模块中，相应的子项目的训练增强了课程实践教学的效果，不仅将理论知识迅速地应用于实践，而且增强了项目所设定的实验的意义，提高了学生学习的兴趣和目的性。
课程的考核方案从学习态度、理论知识掌握程度、资料的搜集及规范的应用、动手能力和实际问题判断能力各个方面综合评价学生的学习情况，在重复训练中提高学生的专业技能，避免了学生以考试为目的，被迫学习的心理，为后续的学习打下坚实的基础，也为同类院校提高专业课程体系的教学质量提供了参考和借鉴。
参考文献：
[1]周孝军，杨虹，等. 混凝土结构设计原理课程教学探讨[J]. 教育教学论坛，2015.10（41）：150-152.
[2]周爱萍，黄东升，等. 关于混凝土结构设计原理的教学探讨[J]. 教育教学论坛，2015.10（43）：166-167.
[3]商怀帅，杨琳，等. 工程案例在混凝土结构设计原理教学中的应用[J]. 中国冶金教育，2014（5）：34-35.
[4]陈进，谢孝，等.基于执业能力培养的混凝土结构设计原理系列课程改革[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.
工程结构设计原理范文3
【关键词】荷载与结构设计原理 教学方法 改进措施
【中图分类号】TU3 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）06-0029-01
1.概述
为了适应厚基础、宽口径的人才培养目标，土木工程的新课程体系由如下六大模块组合而成[1]：①结构分析；②荷载与结构设计准则；③结构设计基本原理；④结构工程设计；⑤结构试验与测试；⑥结构工程施工。
其中，第2模块的知识内容，以前散落在有关结构设计课程的教学内容中，缺乏系统性，且重复过多，现已将其整合为一门独立的课程：荷载与结构设计原理。这一课程目前已被国家高校土木工程专业指导委员会采纳，并列为土木工程专业必修基础课程。该课程旨在使学生熟悉工程结构各行业中常见的荷载类型及其特点，掌握结构设计理论和方法，了解规范建立的可靠度理论背景，为今后培养工程结构的设计计算能力和科研创新能力打下必要的基础。
本文主要分析了“荷载与结构设计原理”课程在教学环节中存在的主要问题，并对其进行分析和解决，提出了一些改革措施。
2.存在问题
《荷载与结构设计原理》课程内容大致分为两个部分[2]：荷载分析和结构设计方法分析，其特点为：理论性较强，且较多地用到了数学中数理统计的知识，许多学生感觉课程抽象枯燥，接受起来较困难。笔者在该课程教学和实践过程中，归纳总结了目前存在的一些主要问题，具体如下：
1）学生对各类荷载的作用方式理解不够。
《荷载与结构设计原理》一般安排在第五个学期，此时大部分专业课程尚未接触，学生对各类荷载的工程背景了解不够，以至于往往只停留在对条文和公式的死记硬背上，难于深入理解和掌握荷载的作用方式、计算思路。
2）不同工程中需要考虑的荷载有所不同，同类荷载的计算方法和考虑方式也各有偏重，学生对此缺乏理解。
3）设计方法中，较多地用到了概率论、数理统计、可靠度方面的知识，学生在此方面理论基础不扎实，学到此处常感觉课程抽象、难以理解、无所适从。
3.教学改进措施
笔者认为，教师需针对学生情况理清课程体系和授课重点，有的放矢，刺激学生的学习兴趣，使得教与学能较为融洽地相互配合。针对前述共性问题，以提高教学质量、培养应用型人才为目标，提出以下几个方面的改进措施供参考。
1）理清知识结构，突出课程主线。
在绪论中，首先介绍本课程的课程性质、主要内容、基本特点和学习方法，使得学生充分了解“为什么学”、“学什么”和“怎样学”等基本问题，掌握本课程的学习主线。在以后的课堂讲解过程中，教师还宜不时地强化这条学习主线，并根据学生的实际情况去粗取精、突出重点，从而使学生有明确的学习目标，达到事半功倍的效果[3]。
2）交代工程背景，介绍预备知识。
例如，在讲述厂房中的吊车荷载时，建议先介绍厂房排架的结构组成、荷载类型和传力方式作为预备知识，若有条件时还可带学生进行有吊车的厂房排架结构的实地参观，使得学生对吊车荷载的工程背景、产生原因、荷载传递方式和特点有更清楚的认识，并利用多媒体辅助教学，通过理论与实践的结合刺激其学习兴趣，以便对移动荷载的特点以及竖向、横向、纵向吊车荷载标准值的确定方法有更准确的理解。
不同工程结构需考虑的主要荷载类型也有所不同。例如，建筑结构需考虑楼面活荷载，而桥梁结构则需考虑汽车荷载。这两类荷载都是可变荷载，但是作用方式和特点不同，计算方法也各不相同。建议教师在讲课中适当地补充两类工程结构的结构布置和荷载传递方式。
3）结合工程实例，重视实践应用。
在课程中宜尽可能结合工程实例进行分析，既可将抽象的知识概念具体化，便于学生理解，又可刺激学生的求知欲。课程基本内容结束后，教师还可找一些建筑结构、桥梁结构、水工结构等工程实际案例，指导学生进行结构上各类荷载计算、内力组合和可靠度分析，将课程所学内容融会贯通，并强化学生灵活运用所学知识解决实际问题的能力。
4）详略得当，突出基本思路。
为了给混凝土结构、砌体结构、钢结构等专业课程打好基础，大部分高校将“荷载与结构设计原理”课程安排在第五个学期，此时结构力学中的动力学知识尚未学到。因此，对于地震作用一章，建议可着重介绍相关概念和地震反应谱法的基本理论、思路，具体的公式推导和计算方法可待“结构抗震”课程再做详细讲授。
此外，结构可靠度的计算分析也宜详略得当，建议将数理统计的一些必要概念（随机变量、正态分布、特征值、分位值等）灵活穿插于分析思路中，以图、表、举例等形式较生动地唤起学生对相关数学知识的记忆，并在此基础上讲清可靠度计算的基本理论和实用方法。笔者认为，讲授过程中宜尽量避免长篇累牍地进行数学推导和演算，充分发挥多媒体教学的优势，将抽象的数学理论和概念用较形象生动的图、表或者动画表现出来，激发学生的学习兴趣。
4.结语
笔者多年来从事土木工程专业相关课程的教学工作，对厚基础、宽口径的人才培养目标和本专业的课程体系构成有较深刻的理解。以上是我在讲授《荷载与结构设计原理》这门课程中积累的一些总结和体会，谨供参考，衷心希望能够为提高教学质量、培养具有创新思维能力的综合型人才贡献一份力量。
参考文献：
[1]李国强，陈以一等.土木工程专业结构工程课程体系与教学内容改革总体方案[J].高等建筑教育， 2002，43（2）：53-54.
工程结构设计原理范文4
从18世纪以来，机器逐步代替人力劳动，用于做功或转换能量。做功的机器不仅大大提高了劳动生产率，而且很好地保证和提高了产品的质量。由于机器实现的能量转换，人们发明了多种多样的工作机械，提高了人类的生产水平，改善了自己的生活条件。机器的设计是由具体的机构物化为实体的产品，以提供用户所要求的使用功能。因此，机械的结构设计是产品设计的重要一环，在机械设计课程中，机械结构设计也是非常重要的教学内容。在机械结构的设计中，应“勤于学习、善于思考、勇于探索、敏于创新”，以伟大的接纳之胸怀学习前人成果，并以开拓的精神实现伟大的创造。机械结构的设计不是具体案例的机械堆砌，而是有其内在的知识基础、设计的方法和物理原理。本文拟从机械结构的设计方法和设计原理两个方面，讨论机械结构设计的内在知识和结构创新的基本途径，但本文不讨论机械制造工艺性对机械结构的要求。
二、机械结构设计的方法
1.经验设计。从现代科学诞生以来，机械科学与技术已有300年的历史。机械的连接结构、传动结构和支撑结构等已经积淀有汗牛充栋的实践案例，但如何掌握这些案例的基本原理和设计方法，而不是记忆这些案例的具体结构设计，这是经验设计中的关键。具体的产品设计，例如车床，其结构设计可以参考前人的设计图纸，这对于提高设计效率，汲取前人经验、避免犯前人的错误具有实际意义。通过借鉴前人的经验，可以吸收他人的结构创新方法，同时也拓宽了自己的设计思路。随着机械结构数据库的出现和搜索方式的更新，对他人的相关结构设计的学习将更加方便。经验知识是结构设计的宝贵财富，也是公司的知识资产。通过对国内外同类型专利知识的学习，也是一条提升自己结构设计能力的途径。另一方面，要注意避免侵犯他人的知识产权。“古人传下来的学问，就是装在船里的货物。现在的新潮流、新趋势，就是行船的风。”在学习他人的结构设计创新点的基础上，设计者应有自己的革新与发明、自己的创造。
2.理论设计。机械结构设计的理论方法，讨论的是机械结构设计的理性方法，具体的有：模块化和组合化设计、复合化设计、分级结构设计、载荷均布性设计和变结构设计。随着结构优化、结构可靠性和概率设计等方面的发展和具体应用，机械结构的理性设计方法也在不断的推陈出新。模块化和组合化设计。一台机器总体是由提供不同功能的结构单元有机的组合而成，因此模块化的以及模块之间的组合化就是早期的方法之一。在复杂的机电系统和设备中，模块化和组合化的设计理念是有效的结构设计方法，同时也是机械制造的方法之一。例如，组合航空母舰的设计概念；我国的组合化机床的设计在上世纪70年代就已经取得了很大的成功。模块化和组合化，一般是按功能单元、结构单元来划分模块，然后组合起来成为一台机器。复合化设计。复合化的基本特点就是将两个或两个以上的功能零件组合成一个部件或构件来设计，其功能可以是运动功能、承载功能等。例如，组合凸轮结构的设计就是将两个凸轮设计成一个零件；一根连杆在组合结构中同时作为两个或两个以上机构的结构件。复合化方法可以降低机械的制造成本、减轻机器的重量、缩小机器的尺寸和降低产品的成本。分级结构设计（层次化设计）。复杂的制造设备是由分级的机械结构组成，大功能层次的结构是由若干个分功能结构组成。层次化不仅是功能树结构的要求，而且也是制造工艺对结构设计的要求。例如，床头箱由多个轮系组成，而每个轮系又由次一层次的系统组成。复杂机电产品的设计，例如组合挖掘机的设计，集推土机和挖掘机的功能在一起，而共用一个动力系统，在执行系统处分开。层次化结构设计方法在构想分级结构阶段，能够帮助设计者厘清思路，从而找出结构设计的关键点，集中解决结构设计中的难点问题。载荷均布性设计。由于机械结构设计的特点，希望载荷分布均匀，充分发挥材料的机械力学性能或者取得降低最大载荷的目的。例如，修形齿轮的设计、对数滚子的设计，为了取得接触应力的均布，从而修形零件，实现结构的优化设计。行星齿轮减速器的设计也体现了载荷均布性的设计理念，从机构运动学来看只需一只行星齿轮；然而从受力平衡、承载能力和提高齿面的抗磨损来说，三只行星齿轮的结构设计更好。变结构设计。机械结构的创新常常采用变结构的方法，变结构可以改变机械结构的功能，例如，非圆连接形式的成形连接、曲柄滑块结构设计变为转动导杆结构设计。变结构可以改变实现功能的形式，例如径向柱塞泵和轴向柱塞泵的设计。变结构也可以降低机器的设计成本，例如利用死点的桌面支承设计。
3.模型试验设计。相似模型试验设计。基于机器物理模型的相似，运用相似科学理论，对于大型的机器设备进行模型试验设计。通过模型结构设计和试验分析，获取机械结构的可靠性、并预测机器的工作性能。模型相似的设计方法已在工程领域有广泛的运用，例如大型水轮机组的结构设计。通过制造大型水轮机组的模型，测试试验模型的工作性能以及其可靠性等指标，优化水轮机组的结构设计和工作能力。机械结构的设计方法不是一成不变的，而是随着人们的发明和新的科学原理的发现，在日新月异地发展，不断出现新的机械结构设计方法，同时对前人的机械结构设计进行革新。
三、机械结构设计的原理
机械结构的设计必然要依据技术科学的原理，例如：理论力学原理、材料力学原理、弹性力学原理、疲劳力学原理、流体力学原理、热力学原理、摩擦学原理、声学原理、智能原理和一切可能的新物理原理。这里讨论以上各种原理在机械结构设计中的应用，以期总结机械结构设计的常用原理，讨论机械结构设计的原理在今后结构创新设计中的可能性。理论力学原理。理论力学是机构设计的基础理论，对于机器的运动学和动力学分析，得到的结构必然反映到机械结构的设计中来。例如，轴承转子系统动力学的设计，其动力学及其稳定性的设计，要求修改轴承的设计和轴的刚度设计。材料力学原理。机械零件的强度和刚度设计是基于材料力学理论的，强度或刚度不足时，就需要修改零件的结构设计。例如，齿轮轮齿接触强度和齿根弯曲疲劳强度的设计，当齿面接触强度不足时就要求增大小齿轮的分度圆直径；当齿根弯曲强度不够时就要求增大齿轮的模数。弹性力学原理。弹性力学分析是零件应力应变计算的基础，例如滚动轴承中滚子修形的设计，基于弹性力学的接触分析，确定滚子的修形曲线和修形量。在机械零件的结构优化设计中，常常用到弹性力学理论。疲劳力学原理。机械零件上的机械载荷在工作过程中常常是变动的，例如汽车中的轴、轴承和齿轮上的载荷都是变化的，这种变化的载荷具有一定的统计特征。变载荷下轴和滚动轴承的疲劳寿命设计等工程内容，已经发展成机械零件的概率设计。
为了更精确地设计机械零部件，疲劳力学在机械结构设计中会得到越来越多的应用。流体力学原理。流体传动和动静压轴承等的设计是依据流体力学原理的，流体力学也是机械结构创新的基本原理之一。例如静压导轨的设计、动压滑动轴承的设计，要依据流体的质量守恒定律、平衡原理等，优化设计的结果要求修改导轨或轴承的结构型式和尺寸参数。热学原理。热力学和传热学在机械零部件的设计中有很广泛的应用，导轨的热精度设计、齿轮和滚动轴承的胶合分析、隔热结构设计等等。摩擦学原理。耐磨或加快磨损是摩擦学设计的核心，例如圆锥销的设计、组合螺母的设计，就是为了补偿零件的磨损，使得零件在磨损后仍能实现其设计的功能。磨削和抛光制造工艺是利用零件磨损的加工方法。声学原理。在机械系统的噪声分析和研究中，依据物理声学的原理及其分析方法，得到噪声的频谱和功率谱等分析结果，以指导机械结构的设计，例如低噪声滚动轴承的设计。今后，可以考虑利用机械噪声来进行产品设计，例如声爆弹的设计、信号中噪声信息干扰的设计等。智能原理。机械结构设计的原理将向智能化、生物化的方向发展。随着智能技术的应用，机械结构具有灵敏的智能功能。测试技术、控制理论和信息论是机械结构智能设计的基础。
工程结构设计原理范文5
[关键词]机械结构；设计方法；设计原理；智能化
中图分类号：TH111 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0175-01
一、引言
从18世纪以来，机器逐步代替人力劳动，用于做功或转换能量。做功的机器不仅大大提高了劳动生产率，而且很好地保证和提高了产品的质量。由于机器实现的能量转换，人们发明了多种多样的工作机械，提高了人类的生产水平，改善了自己的生活条件。机器的设计是由具体的机构物化为实体的产品，以提供用户所要求的使用功能。因此，机械的结构设计是产品设计的重要一环，在机械设计课程中，机械结构设计也是非常重要的教学内容。在机械结构的设计中，应“勤于学习、善于思考、勇于探索、敏于创新”，以伟大的接纳之胸怀学习前人成果，并以开拓的精神实现伟大的创造。机械结构的设计不是具体案例的机械堆砌，而是有其内在的知识基础、设计的方法和物理原理。本文拟从机械结构的设计方法和设计原理两个方面，讨论机械结构设计的内在知识和结构创新的基本途径，但本文不讨论机械制造工艺性对机械结构的要求。
二、机械结构设计的方法
1.经验设计。从现代科学诞生以来，机械科学与技术已有300年的历史。机械的连接结构、传动结构和支撑结构等已经积淀有汗牛充栋的实践案例，但如何掌握这些案例的基本原理和设计方法，而不是记忆这些案例的具体结构设计，这是经验设计中的关键。具体的产品设计，例如车床，其结构设计可以参考前人的设计图纸，这对于提高设计效率，汲取前人经验、避免犯前人的错误具有实际意义。通过借鉴前人的经验，可以吸收他人的结构创新方法，同时也拓宽了自己的设计思路。随着机械结构数据库的出现和搜索方式的更新，对他人的相关结构设计的学习将更加方便。经验知识是结构设计的宝贵财富，也是公司的知识资产。通过对国内外同类型专利知识的学习，也是一条提升自己结构设计能力的途径。另一方面，要注意避免侵犯他人的知识产权。“古人传下来的学问，就是装在船里的货物。现在的新潮流、新趋势，就是行船的风。”在学习他人的结构设计创新点的基础上，设计者应有自己的革新与发明、自己的创造。
2.理论设计。机械结构设计的理论方法，讨论的是机械结构设计的理性方法，具体的有：模块化和组合化设计、复合化设计、分级结构设计、载荷均布性设计和变结构设计。随着结构优化、结构可靠性和概率设计等方面的发展和具体应用，机械结构的理性设计方法也在不断的推陈出新。
模块化和组合化设计。一台机器总体是由提供不同功能的结构单元有机的组合而成，因此模块化的以及模块之间的组合化就是早期的方法之一。在复杂的机电系统和设备中，模块化和组合化的设计理念是有效的结构设计方法，同时也是机械制造的方法之一。例如，组合航空母舰的设计概念；我国的组合化机床的设计在上世纪70年代就已经取得了很大的成功。模块化和组合化，一般是按功能单元、结构单元来划分模块，然后组合起来成为一台机器。
复合化设计。复合化的基本特点就是将两个或两个以上的功能零件组合成一个部件或构件来设计，其功能可以是运动功能、承载功能等。例如，组合凸轮结构的设计就是将两个凸轮设计成一个零件；一根连杆在组合结构中同时作为两个或两个以上机构的结构件。复合化方法可以降低机械的制造成本、减轻机器的重量、缩小机器的尺寸和降低产品的成本。
分级结构设计（层次化设计）。复杂的制造设备是由分级的机械结构组成，大功能层次的结构是由若干个分功能结构组成。层次化不仅是功能树结构的要求，而且也是制造工艺对结构设计的要求。例如，床头箱由多个轮系组成，而每个轮系又由次一层次的系统组成。复杂机电产品的设计，例如组合挖掘机的设计，集推土机和挖掘机的功能在一起，而共用一个动力系统，在执行系统处分开。层次化结构设计方法在构想分级结构阶段，能够帮助设计者厘清思路，从而找出结构设计的关键点，集中解决结构设计中的难点问题。
载荷均布性设计。由于机械结构设计的特点，希望载荷分布均匀，充分发挥材料的机械力学性能或者取得降低最大载荷的目的。例如，修形齿轮的设计、对数滚子的设计，为了取得接触应力的均布，从而修形零件，实现结构的优化设计。行星齿轮减速器的设计也体现了载荷均布性的设计理念，从机构运动学来看只需一只行星齿轮；然而从受力平衡、承载能力和提高齿面的抗磨损来说，三只行星齿轮的结构设计更好。
变结构设计。机械结构的创新常常采用变结构的方法，变结构可以改变机械结构的功能，例如，非圆连接形式的成形连接、曲柄滑块结构设计变为转动导杆结构设计。变结构可以改变实现功能的形式，例如径向柱塞泵和轴向柱塞泵的设计。变结构也可以降低机器的设计成本，例如利用死点的桌面支承设计。
3. 模型试验设计。相似模型试验设计。基于机器物理模型的相似，运用相似科学理论，对于大型的机器设备进行模型试验设计。通过模型结构设计和试验分析，获取机械结构的可靠性、并预测机器的工作性能。模型相似的设计方法已在工程领域有广泛的运用，例如大型水轮机组的结构设计。通过制造大型水轮机组的模型，测试试验模型的工作性能以及其可靠性等指标，优化水轮机组的结构设计和工作能力。机械结构的设计方法不是一成不变的，而是随着人们的发明和新的科学原理的发现，在日新月异地发展，不断出现新的机械结构设计方法，同时对前人的机械结构设计进行革新。
三、机械结构设计的原理
机械结构的设计必然要依据技术科学的原理，例如：理论力学原理、材料力学原理、弹性力学原理、疲劳力学原理、流体力学原理、热力学原理、摩擦学原理、声学原理、智能原理和一切可能的新物理原理。这里讨论以上各种原理在机械结构设计中的应用，以期总结机械结构设计的常用原理，讨论机械结构设计的原理在今后结构创新设计中的可能性。
理论力学原理。理论力学是机构设计的基础理论，对于机器的运动学和动力学分析，得到的结构必然反映到机械结构的设计中来。例如，轴承转子系统动力学的设计，其动力学及其稳定性的设计，要求修改轴承的设计和轴的钢度设计。
材料力学原理。机械零件的强度和钢度设计是基于材料力学理论的，强度或钢度不足时，就需要修改零件的结构设计。例如，齿轮轮齿接触强度和齿根弯曲疲劳强度的设计，当齿面接触强度不足时就要求增大小齿轮的分度圆直径；当齿根弯曲强度不够时就要求增大齿轮的模数。
弹性力学原理。弹性力学分析是零件应力应变计算的基础，例如滚动轴承中滚子修形的设计，基于弹性力学的接触分析，确定滚子的修形曲线和修形量。在机械零件的结构优化设计中，常常用到弹性力学理论。
本文从机械结构的设计方法和设计原理出发，分析了机械结构设计的基本知识和设计准则。毋庸置疑，机械结构的制造工艺性对机械结构设计有重要的决定性。笔者认为，今后的机械结构创新中仿生设计和智能化是发展的重要方向。
参考文献
工程结构设计原理范文6
关键词：工程结构计算软件；课程特点；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）23-0104-02
土木工程专业学生经过专业课的学习已经初步掌握了结构设计与施工的基本知识，具备了结构分析和土木工程分析的初步能力。但学生掌握的都是简单的手算，远不能满足工作需求，工作中一般都采用效率更高的电算方法进行结构设计与施工分析，[1]故开设“工程结构计算软件”是十分有必要的。它是土木工程专业的一门专业选修课，是一门重要课程。其主要任务是使学生了解工程结构计算软件领域国内外的发展动态，掌握常用工程结构计算分析软件的应用，具有利用软件解决土木工程设计与施工问题的初步能力。该课程具有知识结构复杂、工程实践性强、综合性强、应用性强，并且与现行规范、规程联系密切等特点，传统的教学理念和教学模式难以满足土木工程专业人才综合素质教育和创新能力培养的要求。因此，更新观念、与时俱进，实现教学内容、教学手段和教学方法的全面改革，不断提高教学质量和效果，是教学过程中需要重点解决的问题，但长期以来，该课程在培养目的和教学方向上与实际教学存在诸多偏差和矛盾，严重制约着教学效果和质量。
一、教学现状
1.教学内容滞后于工程实践和学生的需求
现行“工程结构计算软件”课程安排在木科大四上学期，教学时间为32学时（其中16个理论学时，16个实践学时）。课程每年的选课人数约在230人左右。由于课时较为紧张，课程的安排主要包括三大部分内容：一是介绍国际、国内建筑工程设计领域里常用的结构设计软件，使学生对当前建筑工程设计行业中常用的结构设计软件有比较全面的了解；二是操作演示、讲解目前在设计单位使用相当普及的PKPM系列建筑结构设计软件。通过操作演示、讲解，使学生熟悉其中常用软件的基木功能和主要技术条件，熟练掌握各级菜单命令及其操作方法，最终达到能对一般的建筑工程进行结构设计及施工图绘制的水平；三是实践教学环节，学生每人一题、独立操作完成一个简单工程的结构设计，使学生通过实践掌握结构设计的过程和一般方法。教学偏重于如何操作软件的流程演示和讲解，且重点在于讲解PKPM结构设计模块，学生接受到的知识基本是如何操作软件，学生通过模仿亦可掌握软件的操作。但随着结构理论和行业水准的提高，目前设计者的主要任务是如何根据规范和结构设计理论对结构进行优化的精细化设计，而非不计方案优劣和成本的粗放型设计。用人单位也反馈学生工作后上手较慢，对结构优化设计的概念不明确，因而，教学重心应该放到如何应用软件辅助结构设计与优化分析。此外，目前绝大部分土木工程专业毕业的本科生均会从事施工管理相关工作，工程结构计算软件课程应当照顾到这部分学生，而目前主要针对设计讲解的教学模式，不利于这部分从事施工管理的学生实际工作能力的提高。
2.讲授内容单一且缺乏合适教材
目前尚未有“工程结构计算软件”专门的教材，仅有相关的几本关于PKPM的教材，所讲授的PKPM版本早已被新版本所取代，计算结果与现行规范不符，而关于工程中用到其他软件很少有专门的教材，因而亟待编写一种综合常用计算辅助软件的综合性教材。该课程应该转变原来仅讲授PKPM一种软件的模式，转变为以PKPM为主，同时对MIDAS/Building、理正工具箱、结构力学求解器等软件进行讲解。
3.教学模式单一、学生学习积极性不高
传统的教学模式主要是静态封闭和“填鸭式”的教学过程，教学以多媒体演示为主，方法简单、手段单一，授课内容缺乏直观感和立体感。教师“讲”，学生“听”，师生间缺乏互动，学生处于被“灌输”的知识状态，学习热情不高，课堂气氛沉闷，教学效果欠佳。随着社会的发展和教育的改革，传统的教学模式不再能满足新型的研究型和创新型人才培养目标的要求，必须革新教学方法、优化教学手段，努力培养适应时展需要的工程应用型和创新型人才。[2]
二、教学改革探讨
“工程结构计算软件”课程教学改革必须以土木工程专业创新、应用型人才培养这一大背景为前提，依据课程的教学目标精选教学内容，革新教学理念，丰富教学手段，不断加强教师的业务水平，提高学生的综合素养，达到教学相长、共同进步的目的。具体改革措施如下：
1.编制教材，明确教学重点
工程结构计算软件应分为两大核心内容：建筑结构设计、施工辅助设计。编制教材分三部分。第一部分：介绍结构计算软件的发展现状及各个软件的擅长方向；第二部分：介绍房屋结构设计，包括框架结构设计、楼梯设计和基础设计，选择框架结构是因其结构简单、受力明确，且是毕业设计的主要结构类型，便于学生毕业设计时与手算对比[3]；第三部分：介绍结构计算软件在施工中的应用，包括脚手架（支架）设计、模板设计、施工中临时支护结构设计。
第一部分结构计算软件发展概述，重点介绍各计算软件擅长计算的结构类型。第二部分建筑设计在教材中的章节顺序一般是对PKPM结构计算各模块进行详细的讲解，且重点讲解各级菜单的操作。随着程序的优化，程序操作更加人性化且易上手，课程的重点应放在房屋建筑结构设计技术部分，即重点讲解参数选取而非操作本身。因此，该部分重新整合、提炼后的教学章节顺序应为PKPM操作界面介绍、框架结构设计与分析，包括PMCAD建模、SATWE分析、梁柱施工图、LTCAD和JCCAD，重点阐述电算与手算的对比和联系，结合规范讲解参数选取，并对计算结果进行校核分析。这样，重点更突出，思路更清晰、流畅，便于课程组织，有利于学生深入理解电算的原理，进而举一反三，了解其他结构类型的电算。第三部分结构计算软件在施工中应用，大部分土木工程专业的本科毕业生将来主要从事建筑工程施工管理，而目前尚未有教科书涉及到该部分内容，故该章节结合当今施工中的常见问题重点讲解两个专题：脚手架（支架）设计根据一脚手架手算设计实例，结合设计规范分别采用平面计算程序、空间计算程序进行阐述；施工临时支护结构设计分别采用平面、空间计算程序对施工中常见的临时结构进行分析计算。
2.拓宽知识传播渠道，全方位讲授知识
传统的软件类课程授课重点为软件操作演示。软件操作较为琐碎，讲解耗时较长，因而软件类课程将绝大部分课时均放在了对操作的讲解上。软件实质上仅是一个计算工具，操作人对相关规范的理解、基本理论的掌握水平和对电算基本原理的理解程度决定了软件的计算分析是否符合实际。即使掌握了软件的操作方法，如果参数选取不合适，结果未和规范相结合，则难以指导实际工程，未达到开设该课程的目的，故有必要对电算基本原理、参数选取和后处理进行讲解。因而，该课程需要解决如何在少学时的情况下兼顾到软件操作、参数选取、电算原理和后处理的讲解。
有一种方案可以加快软件操作讲解，因学生初次接触结构计算软件，讲解过快的话学生不能掌握，达不到教学效果。另一种方案就是课堂上讲解主要操作流程和重要操作过程，然后把时间分配到电算基本原理、结合规范选取计算参数和后处理上面，为便于学生课下吸收，课堂讲解过程中开启屏幕录像软件，将授课过程中软件的操作和解说全程录像制作成视频。同时，对于一些具体简单的操作和课上来不及讲解的操作在课下制作成演示视频，供学生自学。目前网络存储容量大、速度快，因而可建立网络硬盘，将上述视频后上传至网盘，方便学生下载学习。为便于学生自学后问题的解答，建立qq群，便于辅导学生，且可在群论坛讨论问题，借助于网络拓展了教学手段。[4]当然建立网络课堂是更为有效的办法，在课程建设中应尝试建立网络课程。[5]
三、结语
工程结构计算软件是土木工程专业的核心课程，是学生专业知识的汇总，同时也为学生走向工作岗位对知识的应用进行了培训，亟待在讲解中突出重点，且通过视频录制、网络存储和QQ群和论坛等方式为课题讲解提供有力补充，通过多角度全方位的授课方式使学生在理解的基础上深入掌握工程计算软件，为今后的工作奠定基础。
参考文献：
[1]刘佩.关于土木工程专业研究生教学的两点体会[J].中国电力教育，2013，（8）：79-80.
[2]何双华，曾桂香.“土木工程施工”课程教学现状及改革初探[J].中国电力教育，2012，（2）：60-61.
[3]陈道政.建筑工程专业毕业设计教学中几个关键环节的质量控制[J].高等建筑教育，2010，19（3）：127-129.
