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摘要：随着科学技术的发展，结构动力学机械系统越来越复杂，对其安全性能、复杂性要求也越来越高，传统的动力学设计已远远不能满足目前结构设计的要求。针对以上背景，简述了结构动力学方面的几个前沿问题，包括参数设计、灵敏度敏感参数选取以及从大规模模态分析出发对结构动力学算法研究等，并在此基础上对其相关的教学研究进行了阐述。
关键词：结构动力学；土木工程；模态分析；教学研究
本文引用格式：孙万泉.结构动力学的前沿问题与教学研究[J].教育现代化,2019,6(38):84-85.
结构动力学是现代化土木工程在建筑的结构抗风、抗震、内部振动控制以及问题监测等研究方面的基础，在超限及大面积特殊建筑建设的大环境下，结构动力学正逐渐被各界重视起来。所以，学术界对结构动力学设计的要求越来越严格，结构动力学的各方面研究也受到了极大的重视[1]。尽管工程界针对结构动力学已经进行了较为全面深入的研究，不过以目前的状况来看，要做到全面且有效的现实应用目的还有很大差距，存在较多问题有待全面深入的研究，个别常见的问题也需要人们再度审视思考。
一 结构动力学的前沿问题
（一）结构动力学设计参数的确定
结构动力学设计的首要工作是就是对设计参数加以审定，这部分包含了以下三个方面的内容：
第一点，因为我们往往对设计问题缺乏广泛、深入的了解，所提出的设计目标就会不合理不贴切，要求不符或者矛盾重重。在设计实际结构中，对原有振型的目标通常允许放宽至控制节点节线位置的目标；对于动态回复的目标通常允许放宽至对个别阶模态参与因子的目标。在能够保证结构性能的同时，尽可能的放宽设计目标就能极大的简化之后的设计工作，而解决相互矛盾的设计目标，就能保证设计过程顺利开展。
第二点，根据对实际结构的动态测试实验参数组成的设计数据无法避免地出现了实验测试误差，而这些误差会对设计的过程和结果产生重大影响。而在有限元模型的修正中，测试振型之间的相对误差会导致修正结果波动极为敏感这一现象就充分证明了这点[2]。所以要求对设计数据加以完善，采取平稳、最优拟合等方法减少中间的误差。
第三点，在结构动力学研究中，通常采取有限元模型。如果用有限元模型里各单元的数据当做设计变量，从整个结构来看，此时的设计变量数会是巨大的，设计变量的数量，会对各种动力学设计方法的有效性产生直接影响，甚至会成为决定了某种方法实际应用成败的原因。所以，设计变量的减少是结构动力学研究中的又一个重大问题。
（二）结构动力学灵敏度敏感参数的选取
依据灵敏度研究选择敏感参数，是结构动力学设计研究进程中一个相对特殊的环节，这也可以看做是一个设计过程中的设计变量减少。通常在设计进程中的不同时期（不重复循环）中，敏感参数的集合是会发生变化的敏感参数的选择主要依靠对设计变量的灵敏度分析研究。在优化设计过程中，所有灵敏度研究的方法可以分为两种：直接微分法与共扼法。在结构动力学研究中，灵敏度分析研究方法包括模态法、Nelson法、摄动法、差分法等，而这些方法全部都属于直接微分法。按照灵敏度分析研究的结论选择敏感参数的方法有QR分解法、列主元和最佳子空间法等等。而在优化设计过程中，共扼法也是灵敏度研究的一种颇具成效的方法，可以把它看做广义的拉格朗日乘子法[3]。共扼法最大的优点就是它的灵敏度分析具备相同的形式，其内涵和设计变量的种类没有关联，并且同结构的性能泛函相关。把共扼法代入结构动力学设计研究中，将会为设计参数的灵敏度分析研究开辟一条新的有效途径。
（三）大规模模态分析算法
模态分析研究是有限元动力学分析的根基，也是全部动力学研究进程中大量耗费时间和资源的一个重要步骤，在这一环节能够精确快速得出结论会对之后的各个方面动力学研究分析产生巨大影响。在计算方法的方面来看，模态分析研究可以总结为求解大型稀疏矩阵特征值方面的分析研究。按照大型稀疏矩阵的特性和求解少量特征对的需要，设计相关的特征值算法用来提高针对问题的可拓展性和适应性，是界内学者近几十年以来的一个研究焦点。总体归纳起来，大部分研究工作通常依据投影思想的子空间类方法。
二 结构动力学的教学研究
结构动力学的课程教学是为了培养能够担负起社会责任感和具备良好动手能力与较好创造性的高级知识人才。结构工程学、燧道与桥梁工程、工程力学、水工结构学等专业的本科生甚至硕士研究生，将结构动力学作为一门专业基础课程进行学习。可以说这是一门融合了多项学科内容的多样性课程。在系统地经过结构动力学基础知识理论的学习之后，学生们能够学会与结构动力研究相关的学科基础和与之相辅相成的数学知识；通过设计展开习题和真实工程案例的学习，可以使学生掌握较好的结构动力数值研究分析、优化减震抗震结构设计等能力，并且培育学生能够利用动力实验与动力测试等方法分析问题和解决问题，能够让学生在将来工作中有效地发现和解决科学课题探索与实际工程操作中所涉及的结构动力问题[4]。
（一）结构动力学教学研究核心课程的实践过程
结构动力学核心课程的教学目标旨在以现有教学改革和课程建设成果为基础，以科学的教学设计的研究与实践为中心，同时将教学与科研结合起来，将基础教学与实践操作结合起来，从而加快教学改革和提高课程研究成果，进一步能够发挥教学过程中现代教育技术的作用，达到提高学生自主性、创新性的目的，完成寓教于求的建设目的。曾有学者也提出过相关论点，授课教师应该在课程讲授过程中，对学生的实践能力、创造能力、自学能力以及将各科知识综合运用能力等方面的培养。进行结构动力学的教学建设，其学科研究对于教与学、学生综合知识学习和操作能力养成的能力都是具有一定积极意义的，基于核心课程的建设，能够使得本课程的授课目标在传授经典内容的基础上，进一步与国内外结构动力分析实事热点与最新成果相结合，不仅能达到循序渐进的教学成果，其教学方法上也能利用传统教学方法的可取之处，通过现有网络技术和多媒体技术手段，从而共同实现结构动力学的教学研究。
（二）结构动力学教学研究的实践操作
在结构动力学课程里理论和其应用时相辅相的，不可或缺，结构动力学课程可以总结为“以现实需求为背景提出问题，以经典理论为依据分析问题，以实际应用为目的研究问题，以前沿探索为方向研究深入问题”。实际教学的时候，可以主要将难点和重点内容与现实相对的工程应用案例结合起来进行讲授，由浅入深的贴合现代结构动力学建设与工程测试技术，将理论与实践相结合起来。与此同时加强实验方面的锻炼，提升实际操作能力，提高工程实践创作性的培养。要注重怎样运用完善、良好的实践教学平台，掌握好教学知识点与结构工程实际背景相结合，在一定范围内使得学生自主提出实验目的，并且能够自主设计和操作实验测试，提出对结构动力学的相关疑问，不仅仅是授课教师的引导教学，更主要是学生能够以自己的思维为出发点，主动探索和解决问题，在一定水平上自发操作，这有助于提高学生自学能力和实践操作能力以及动力研究分析和应用能力[5]。
教学过程中可以把基础授课与实践操作相结合，授课教师能够将自己所持有的科研项目的研究思路引导给学生，学生自主的讲研究过程与所学习到的课程融合起来，借助网络技术和多媒体技术，在课堂或网络上，不光是老师能够传授知识，学生也可以分享自己的实践操作的科研方法、思路、过程、结论，共同探讨共同进步。当然，不同的专业讲解的科研案例也是可以不尽相同的。学习方式的多样化可以整理成多媒体课件，成为课程学习的一部分，从而改善工程问题单一建模、枯燥的思考方法与贫乏的实际操作能力这些情况，并能可以改变学生以前一直以课本为主的学习方法，以防学生出现逆反情绪的情况。
三 结语
本文在结构动力学设计问题方面进行了归纳，得出其解决方法主要取决于对其中大部分根源问题在数学方面的全面、圆满解决；结构动力学设计的优化方法是当前阶段效果明显、较为适用的方法，但是在技术改进方面，有待更新、带入与拓展；而对待优化设计成果的可靠性与衍生性也要多加关注与研究，为了解决结构动力学设计中的实际问题，就需要在教学研究方面找出一条合适的工程途径，虽然这已经成为可能，但是仍需开展细致且深入的探索。结构动力学教学研究的诸多问题要求人们反复、深刻的思考与研究。集思广益，反复尝试，为推动结构动力学设计研究持续发展做出贡献。
参考文献
[1]黄民水,卢海林,徐丰.结构动力学"多元化"教学模式研究[J].山西建筑,2017,43(21):232-234.
[2]姜丽,陈桂波,李金华,等.浅谈电动力学多元化教学改革与实践[J].教育现代化,2017(19):36-37.
[3]荣学亮,郭进,王慧东,等.研究生结构动力学核心课程建设探讨[J].教育教学论坛,2016(23):203-204.
[4]李海彦,邹艳,李永平.电动力学教学思想和知识体系的现代化探讨[J].教育现代化,2018(4):10-11.
[5]高龙.基于矩阵位移法精确求解含无限刚性体杆系结构动力学问题的研究[D].华南理工大学,2016.
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