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摘要：材料力学是工科类专业学生的必修专业基础课程，在工程实践中发挥着重要作用。而传统的课堂教学往往侧重与理论，因而教学效果会打折扣。借助于学校数理文化节所举办的纸桥大赛，并将纸桥设计引入到材料力学课堂，可将材料力学的知识应用到工程实践中，并增强学生的动手能力，从而达到更好的教学效果。
关键词：纸桥设计；材料力学；工程实践；压杆稳定
本文引用格式：李兴国，等.材料力学在纸桥桥墩设计中的应用[J].教育现代化,2020,7(36):164-166.
一 引言
材料力学课程是高等工科院校中机械类专业一门主干课程，是机械类硕士研究生入学考试的一门专业基础课。材料力学教学过程中需要结合各种实践教学环节，进行机械工程技术人员所需的基本训练，为学生进一步学习有关专业课程和有目的从事机械设计工作打下基础。因此材料力学课程在机械类专业的教学计划中占有重要的地位，其也将成为新工科建设的重要支撑要素。然而在传统的课堂教学过程中，许多地方性本科院校的《材料力学》教学状况不太理想，特别是在计算机时代网络的普及下，网络信息对学生的吸引力极大的冲击着课堂教学[1]，学生上课容易开小差，并且旷课迟到时常发生，学习成绩也不理想[2]，无法满足学生将来在工作岗位上对相关材料力学知识的系统性需求。为了增强学生对材料力学课程的认识，提高其动手能力，教师们进行了多种教学研究[3-7]。借助于应用科学学院数理文化节的活动——纸桥承重大赛，可将课堂上的抽象知识融入到实践中，从而提高学生的学习兴趣以及调动其学习的积极性。
然而参加在纸桥承重大赛的学生往往都是大一大二的学生，他们还未展开材料力学的学习，在制作纸桥时往往仅凭借其生活经验以及兴趣，对于其中的力学知识并不了解。而组织比赛的大三学生对比赛的认识也不够，仅从制定的比赛规则就可以看出学生对于其中的材料力学知识认识不够，例如比赛要求如果桥墩为空心圆桶时，其壁厚不超过1cm，而桥墩横截面为实心时，直径不超过1cm。由《材料力学》压杆稳定问题中可知：当横截面面积相同时，圆环截面的稳定性要优于圆截面，而这个比赛规则显然圆环横截面可远大于圆截面，因此这个比赛规则很不合理。这说明学生对于实际问题中的力学问题还不善于发掘，因而可将纸桥设计作为一个材料力学的实践案例，并结合课堂教学去激发学生的学习兴趣。
桥墩是桥梁的重要组成部分，主要起着承载桥梁重量的作用。因此在桥梁的设计中，桥墩的设计非常重要。在纸桥设计中，要想使得纸桥的承载量与桥梁自重比达到最大，桥墩的设计将极其重要。本文运用材料力学知识分析了纸桥设计中桥墩的承重问题，期望对纸桥设计以及比赛规则设计提供思路。
二 纸桥大赛承重要求
材料：A4纸、胶水。纸桥总长度不少于400mm；桥面距离水平面不少于70mm。相邻桥墩内测距离不少于30mm，自重不超过300g。
三纸桥桥墩力学分析
首先对桥墩进行受力分析，如图1所示。
纸桥在承重状态下，桥墩可以简化为受压杆件，因此桥墩承载问题可以简化为杆件受压问题。在材料力学中，定义压杆的柔度及截面惯性半径为[8]：
效果最佳，圆环次之，圆截面要优于椭圆截面，因此在制作过程中尽量避免柱体变形。
（二）减小桥墩的高度l
由公式（1）可知，当桥墩的高度l减小时，杆件的柔度减小。由图1可知，杆的临界应力随着杆
的柔度减小而增大。因此桥墩的高度应尽量选择为限定的高度。
（三）合理选择约束条件
压杆的长度因数和约束条件关系如表2所示。根据公式（1），若要减小杆的柔度，则长度系数应尽量小，由表2可知，当桥墩两端固定时，其长度因数最小。因此在纸桥设计过程中，桥墩与桥面应尽可能牢固，从而桥墩在受到压力时可以看作是两端固定。
总结
材料力学课程是高等工科院校中机械类专业一门主干课程，在“新工科建设”中有着重要的地位[9]。传统的课堂教学由于理论性较强，体现出单调和乏味，难以引起学生的学习兴趣；此外学生对于工程实际问题学生也很难取发现其中力学问题，更谈不上建模求解。因此在课堂上引入工程实践问题，特别是能让学生参与进来的工程实践，一方面可以训练学生从工程实际出发解决工程问题的能力，另外还能激发学生的学习兴趣[10]。
参考文献
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