《金属结构课程设计》问题分析与对策研究

李宏娟+髙有山

【摘 要】 针对本科生《金属结构课程设计》中的具体问题：如何下手做设计；设计时的主要结构尺寸如何合理确定及其简化方法等进行分析，提出对策，为老师们指导课程设计提供一些建议，也为大四本科生做课程设计提供重要的参考依据。

【关键词】 金属结构；课程设计；对策

【Abstract】 Analysis has been conducted on specific problems like how to set out a design， how to rationally determine main structure and size during design and what is its simplified method， etc. for undergraduate on Course Design for Metal Structure， not only providing some suggestions for guiding teachers to do the course design， but also offering important reference base for senior undergraduates to do the course design.

【Key Words】 Metal Structure， Course Design， Countermeasure

【中图分类号】 G64.22 【文献标识码】 A 【文章编号】 2095-3089（2016）31-00-02

引言：

对工科学生来讲，大学四年的实践环节如金工实习、生产实习、毕业实习、课程设计、毕业设计等都是高校工程教育培养的重要环节，也是检验高校工程教育培养质量的重要指标。尤其是大四学生的课程设计和毕业设计对他们毕业后很快适应设计工作起到了决定性的作用。因此，指导教师不仅要认真指导相关实践环节，还要把实践环节的重要性告知学生，否则，学生稀里糊涂的做完设计后都不知为何“做”，“做”为何。

机自专业起机方向是本校传统特色优势专业方向之一，四门专业特色课程《起重机械》、《金属结构》、《输送机械》、《工业车辆》分别对应《起重机械课程设计》、《金属结构课程设计》、《输送搬运机械课程设计》（对应《输送机械》《工业车辆》两门课）三个课程设计，体现了本专业方向的传统课程与实践环节结合紧密的特点，也为学生做毕业设计打下坚实的基础。因而这三个课程设计的重要性不言而喻。笔者担任该专业方向的《金属结构课程设计》指导老师，在多次指导该课程设计过程中，发现了一些共性问题，也在多次指导设计时做了很多思考和研究，现将具体问题及对策逐一进行分析。

1 明确设计概念

一听到课程设计，学生还有些摸不着头脑，总是要让指导教师提供算例，否则，无从下手。而在指导教师提供算例之后，学生又一味只会照算例上按部就班的进行设计计算，不敢有一点“创新”，完全违背了设计的本意。设计应该是“求异”的过程，而不是“求同”。学生在参考算例后只知其然，不知其所以然。所以，指导教师不仅要让学生明白每一个课程设计的目的、意义、方法，还要让学生清楚设计的概念，即“设计——从无到有，计算——从有到数，绘图——从数到图，制造——从图到物”的创新设计全过程。

2 《金属结构课程设计》中典型问题分析与对策

2.1简化箱形梁截面设计

《金属结构课程设计》中通用桥式起重机桥架结构设计是结构课程设计中最为典型的一类，在此类设计中，通常采用箱形梁截面。即由四块钢板焊接组成封闭截面（如图1），分别是上盖板1、腹板2、3和下盖板4，然而确定每块板的尺寸就成为结构设计的主要任务，通常是把截面看成一个整体，即确定梁的高度h、宽度B和板厚δ，即使如此，尺寸参数有腹板高h1，盖板宽B1，和四块板的厚度δ1，δ2，δ3，δ4，翼缘外伸Le（外伸尺寸相同）7个，不论是通过编软件还是手工计算截面特性，都是一件比较繁琐的事情，尤其是设计过程中需要调整改变参数多次计算，不仅用时长，而且出错率高。本文提供一种简化截面方法，将截面简化为封闭模压箱形截面（如图2），即h1不变，b1=B1，δ1=δ2=δ3=δ4=δ，Le=0，截面尺寸参数减少到3个：高、宽、板厚，且截面特性计算简化，截面特性计算公式如下：

从公式中，明显能够看出计算简化，而且，手工计算也用时短，准确率高，便于调整结构参数多次计算。从该简化截面得到主要截面尺寸参数后，再根据结构特点对结构参数进行微调，比如，偏轨箱形梁可以将主腹板厚度适当增大，轮压作用的翼缘板厚度适当增大等。截面简化前后的计算结果如表1所示。

通過表中10组数据的计算可以得出，简化后截面的净截面积平均减小1.13%，惯性矩平均减小4.14%；反过来，根据简化截面得到的标准焊接箱形梁截面净截面积和惯性矩均增大，因而设计结果是偏安全的。

2.2载荷计算时抓主要矛盾

在做主梁载荷计算时，学生对小车架结构及小车轮压分配理解不充分，有时无法确定小车架重心位置及吊钩位置的精确值即图3中l1、l2、e的值。这里提供一个简化方法，在设计时抓住问题的主要矛盾，若没有做小车架设计且原始设计参数中没有给出相应小车架结构参数，可忽略吊钩和小车架重心的偏心距，将小车架重心和吊钩位置视为在小车架中心来做初步计算，即e=0，，对计算结果影响不大。下面将静轮压的精确计算与简化计算做一比较如表2，简化前计算参照教材第九章[1]，简化后计算公式如下

从表2可以看出，简化后的静轮压比承载较大的主梁上的小车轮压总和小10%左右，看似简化后的载荷比实际载荷小，计算偏危险，实则不然。危险截面的强度验算是取内力最大截面，在简化计算时，往往将小车轮距忽略，跨中危险截面的最大弯矩，下面再进行一组比较，取表2中的PQ=50t，PGx=16t这组数据，将精确计算小车轮压及作用点下的最大弯矩与简化计算小车轮压情况下的最大弯矩值进行计算比较如表3，承载较大的主梁力学模型及弯矩图如图4所示。

从表3可以看出，按简化后的模型计算最大弯矩，与精确计算小车轮压及作用点下的最大弯矩相比，随着跨度与小车轮距比值的增大弯矩增大率呈下降趋势，比值较小时，弯矩增大率为正值，简化模型弯矩大；比值较大时，弯矩增大率为负值，精确计算弯矩大。也就是简化计算和精确计算结果的安全性并无优劣，但简化模型计算方便，故做设计时可先按简化模型进行初步設计计算，如有精确原始数据参数，再按照精确模型进行验算。

2.3正确使用经验公式

在做设计时，学生往往喜欢套用教材上的经验公式，如：

箱形主梁的高，宽及

从计算的范围中选择一个值，然后定出截面再进行校核验算，验算不合格重新选择参数，但始终不敢超出经验公式的范围，这样就导致很多学生设计结果不理想（验算的强度、刚度、稳定性与许用值相差较大）。因此，笔者在这里给出一些指导性对策：

（1）在初步设计时，可以先按经验公式选取参数，但选取时也要考虑起重量，起重量大的选较大值，起重量小的选较小值，然后进行初步校核验算；

（2）验算合格且合理（占许用值的80%左右），则可将该设计参数作为最终设计结果；

（3）验算合格但不合理（小于许用值的50%），则重新选择截面参数，若梁高取到经验公式的下限验算值还较小，这时，可以完全抛开经验公式的限制，梁高可以降到经验公式下限以下，要根据自己的设计参数适当调整截面参数；

（4）验算不合格（大于许用值20%以上），则增大截面梁高，若取到经验公式的上限还较大，则可以增加到经验公式上限以上，具体情况要视自己的设计参数来定。

以上四点也是笔者的经验之谈，给初步做设计的学生一些方向性的指导。设计参数千差万别，验算结果也会有各种情况，学生要做好设计，至少要经过三至五次的反复验算。否则，设计结果不会太理想。

3 结论

《金属结构课程设计》是本校机自专业起机方向学生《金属结构》课程理论联系实践的“实战演习”，也是为毕业设计打基础的一次“大练兵”，学生要从思想上给予重视，端正态度，明确设计概念，清楚设计方法，理清设计思路，抓住设计重点，结合上述几个典型问题及对策，根据各自的设计参数，具体问题具体分析，做出具有创新思想的合理设计，为自己交一份圆满的课程设计答卷。

参考文献：

[1]徐格宁，机械装备金属结构设计[M].2版.北京：机械工业出版社.2009

[2]起重机设计规范编写组.起重机设计规范（GB/T3811-2013）[M].北京：中国标准出版社.2013

[3]石彪，周鲜成，刘利枚.提高工科课程设计质量的思考[J].黑龙江教育（高教研究与评估）.2006（3）

[4]崔军，汪霞.社会对高等工程教育课程改革的诉求研究：基于大四工科毕业生的调查[J].中国大学教学.2013（3）