1.4 Анализ фактического состояния экспериментальной базы сопротивления материалов в учебных заведениях. Основные выводы
- Информация о материале
- Родительская категория: Главная
- Категория: Раздел 1 СОСТОЯНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ В КОНТЕКСТЕ КОМПЕТЕНТНОСТНОГО ПОДХОДА В ОБУЧЕНИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
- Опубликовано: 17.10.2016 10:34
- Просмотров: 499
При комплектации учебных заведений лабораторным оборудованием, поставляемым промышленностью [114], возможно экспериментальное изучение: коэффициентов Пуассона и концентраций напряжений, напряжений при чистом кручении и модуля сдвига; главных напряжений при плоском напряженном состоянии; нормальных напряжений при поперечном изгибе балки; напряжений при косом изгибе балки; одновременном изгибе и кручении вала; напряжений в точках стенки толстостенного резервуара, находящегося под внутренним давлением; напряжений в опасных точках кривого стержня; напряжений в элементах составного статически неопределимого стержня.
При этом линейные относительные деформации в упругих элементах конструкции измеряются по сигналам тензометрических датчиков сопротивления.
В качестве регистрирующей аппаратуры могут быть использованы измерители деформаций типа ЦТМ-5, СИИТ-3, ИДЦ-1, ЦТИ-1.
Однако фактическая укомплектованность вузов тензометрическим лабораторным оборудованием, выпускаемым промышленностью, крайне низка. Более того, поставляемое заводами Российского специализированного научно-производственного объединения Росучприбор по заказам учебных заведений экспериментальное оборудование регистрирующей измерительной аппаратурой не комплектовалось. Такое положение дел затрудняло эффективное применение имеющегося лабораторного оборудования сопротивления материалов в учебном процессе вузов и техникумов и исключало возможности опытного определения упругих деформаций и напряжений в элементах конструкций.
В целях анализа реального состояния экспериментального изучения сопротивления материалов в контексте компетентностного подхода в обучении в высших учебных заведениях нами проводились специальные наблюдения методом анкетирования (приложение 1.1, 1.2).
Конкретно состояние дел в этом направлении изучалось в 5 политехнических, 5 строительных, в трех лесотехнических и в 30 сельскохозяйственных вузах, в том числе в Башкирском, Воронежском, Грузинском, Днепропетровском, Каменец-Подольском, Кишиневском, Кубанском, Кировском, Ивановском, Ижевском, Иркутском, Рязанском, Пермском, Приморском, и Свердловском, Орловском, Брянском (таблица 1.1).
Таблица 1.1
Применение тензометрических лабораторных установок для экспериментального изучения сопротивления материалов в вузах
В адрес вузов, где ведется подготовка инженерных кадров, были разосланы анкеты-письма с перечнем 20 лабораторных работ по сопротивлению материалов (приложение 1.3-1.18), возможно проводимых в учебном заведении. В анкеты были включены следующие экспериментальные работы по сопротивлению материалов, направленные на опытное определение: коэффициентов Пуассона и концентраций напряжений, модуля продольной упругости материала; модуля сдвига материала; монтажных напряжений; тепловых напряжений; напряжений при поперечном изгибе балки; напряжений при косом изгибе балки; напряжений при чистом кручении вала; напряжений при одновременном изгибе и кручении вала; напряжений в кривых стержнях; напряжений при внецентренном сжатии стержня; напряжений в тонкостенном резервуаре; напряжений в толстостенном резервуаре; напряжений при продольном изгибе стержня (сжатый стержень); напряжений в элементах статически неопределимой балки; напряжений в элементах статически определимой рамы; напряжений в винтовой пружине; напряжений в элементах болтового соединения; напряжений в элементах клеммового соединения.
Результаты наблюдений показали [83] , что среди обследованных учебных заведений коэффициенты Пуассона и концентраций напряжений экспериментально определяются в 10; модуль продольной упругости материала - в 10; модуль сдвига в 4; монтажные напряжения - в 1; напряжения при поперечном изгибе - в 12; при косом изгибе - в 1; при чистом кручении - в 6; в кривых стержнях - в 7; при внецентренном сжатии - в 8; в тонкостенном резервуаре в 2; сжатом стержне - в 2; в болтовом соединении - в 4; напряжения в клеммовом соединении в трех учебных заведениях.
Анализ собственных наблюдений, проведенных в 1986 - 2014 годы [73], и изучение литературных источников позволяют нам сделать некоторые обобщения.
При изучении курса «Сопротивление материалов» крайне недостаточно проводятся экспериментальные работы по разделам «Сложное сопротивление», «Тонкостенные и толстостенные резервуары», «Устойчивость деформируемых систем», «Монтажные напряжения», «Тепловые напряжения». Фактически опытным путем не изучаются распространенные на практике статически неопределимые конструкции при растяжении и сжатии, кручении, изгибе и при их совместном действии. Теоретически напряжения в отдельных элементах конструкции при сборке, вызванные неточностью изготовления (монтажные напряжения), определяют при условии их абсолютной жесткости. Такое допущение далеко не соответствует действительности и приводит к весьма приближенным результатам. Наиболее точный ответ при этом может дать только хорошо поставленный эксперимент. Экспериментальные работы, направленные на оценку напряжений в винтовых пружинах, разомкнутом кольце, в элементах клеммового соединения также малочисленны. Винтовые пружины, кольца, клеммовые соединения широко применяются в конструкциях машин и могут быть соответственно смоделированы как стержень, работающий на кручение, плоский кривой стержень и нагруженный толстостенный цилиндр.
Естественно, ограниченность проводимых лабораторных занятий по перечисленным разделам сопротивления материалов из-за отсутствия необходимой экспериментальной базы существенно ослабляет и сужает формируемые профессиональные компетенции будущих инженеров.
Действительная картина оснащения учебных заведений тензометрическими лабораторными установками по сопротивлению материалов прояснилась после того, как нами были помещены рекламные объявления в журнале «Специалист» (приложение1.19) о разработке в Кустанайском сельскохозяйственном институте полнокомплектной малогабаритной настольной тензометрической лаборатории по сопротивлению материалов и технической механике.
Итогом рекламной работы явилось то, что хозрасчетная тензометрическая лаборатория по сопротивлению материалов и технической механике, созданная в Кустанайском СХИ (приложение 1.20, 1.21), за сравнительно короткое время получила заявки на разработку и поставку автономной учебной тензометрической лаборатории более чем от 40 вузов и техникумов, среди которых имеются 3 политехнических, 1 индустриальный, 3 инженерно- строительных, 2 сельскохозяйственных института и среднеспециальные учебные заведения. Названия учебных заведений приведены в приложении.
Большой интерес к автономной тензометрической лаборатории по сопротивлению материалов и технической механике объясняется прежде всего необеспеченностью вузов и техникумов современным недорогим учебным экспериментальным оборудованием по данной дисциплине.
Главная причина слабого экспериментального изучения сопротивления материалов - отсутствие полнокомплектного и доступного учебного лабораторного оборудования в учебных заведениях.
Сегодня лабораторная база сопротивления материалов изменяется не в лучшую сторону: систематически происходит сокращение вспомогательного учебного персонала - штатных лаборантов; имеющееся лабораторное оборудование устаревает без обновления; объем аудиторных учебных часов по определенным обстоятельствам продолжает сокращаться.
При существующей тенденции интенсификации учебного процесса, когда ограничено количество аудиторного времени по сопротивлению материалов, основной подход к организации учебного процесса, на наш взгляд, должен заключатся в изыскании методов, позволяющих обучающимся дать требуемый объем теоретического материала в сочетании с лабораторными занятиями с проведением экспериментов, подтверждающих теорию. В этом плане лабораторные установки должны быть просты по конструкции и принципу функционирования, надежны в работе, малогабаритны и использоваться на имеющейся аудиторной площади. На проведение эксперимента должно быть затрачено минимальное количество аудиторного времени. При дефиците учебного времени это существенный фактор.
В настоящее время существуют и применяются для косвенного изучения деформаций и напряжений в элементах конструкций значительное число методов, основанных на использовании достижений экспериментальной оптики и разделов физики: метод фотоупругости, метод муаровых полос и голо-графической интерферометрии, позволяющие в наглядной форме получить общую картину деформирования нагруженного элемента конструкции, а также методы лаковых покрытий и рентгеновский метод [2,150].
Из-за отсутствия современного учебного лабораторного оборудования по сопротивлению материалов лабораторные работы, обеспечивающие получение данных экспериментально, заменяются компьютерными вариантами.
Компьютерные программы лабораторных работ по сопротивлению материалов разработаны по теоретическим зависимостям на основе пропорциональности между силой и деформацией (закон Гука) и не отражают фактическую картину напряженного состояния элементов конструкции. Поэтому различные информационные технологии, используемые в учебных целях, позволяют лишь смоделировать поведение элементов конструкции под нагрузкой, расширяя познания обучающихся, но никак не заменяют ставшие классическими инструментальные лабораторные занятия [64,78].
Как показывает наш длительный практический опыт [73], простыми, надежными и результативными являются малогабаритные тензометрические лабораторные установки, позволяющие проводить намеченные эксперименты в контексте компетентностного подхода в обучении и обобщать достоверные результаты измерений за короткий промежуток времени. При этом упругая относительная деформация элемента конструкции под нагрузкой получается непосредственным измерением.
Предложенное нами понятие «Углубленное экспериментальное изучение сопротивления материалов в учебном процессе вузов и техникумов» предусматривает экспериментальную проверку его теоретических положений, не охваченных лабораторными работами в соответствии с учебными планами на основе государственного образовательного стандарта высшего и среднего профессионального образования в течение отведенного аудиторного времени. Эти работы представляют практический интерес для будущих инженеров и дополняют их профессиональные компетенции.
Основные выводы
На основе анализа и обобщения практического опыта применения тензометрического метода в обучении по сопротивлению материалов будущих инженерно-технических специалистов сформулированы следующие выводы:
1 Высшие и средние специальные учебные заведения, готовящие инженерно-технических специалистов, недостаточно укомплектованы тензометрическим лабораторным оборудованием, в том числе настольным, для экспериментального изучения сопротивления материалов в контексте компетентностного подхода в обучении.
2 В специальной литературе мало данных о практическом применении тензометрического метода для изучения деформаций и напряжений в элементах конструкций в учебном процессе вузов и техникумов. Имеющийся опыт в этом направлении не обобщен.
3 Отсутствуют данные о тензометрическом методе экспериментального изучения напряжений в элементах статически неопределимых конструкций, в том числе температурных и монтажных напряжений, в тонкостенных и толстостенных резервуарах при различном их нагружении, что значительно сужает формируемые профессиональнее компетенции будущих инженеров.
Недостаточно информации о применении тензометрического метода при изучении напряженного состояния нагруженных неметаллических материалов.
4 Технические возможности электротензометрического метода исследований деформаций и напряжений в элементах конструкций при экспериментальном изучении дисциплины «Сопротивление материалов» в контексте компетентностного подхода в обучении оценены крайне недостаточно.
Постановка задачи исследований
С целью создания достаточных технических возможностей для углубленного экспериментального изучения сопротивления материалов и технической механики в учебном процессе вузов и техникумов в контексте компетентностного подхода в обучении нами поставлены следующие задачи:
1. Разработка, теоретическое обоснование и исследование настольных лабораторных установок для углубленного экспериментального изучения сопротивления материалов тензометрическим методом в учебном процессе в контексте компетентностного подхода в обучении.
2. Исследование деформаций и напряжений в нагруженных элементах статически неопределимых конструкций в целях дальнейшего применения их в учебном процессе.
3. Исследование деформаций и напряжений в сложно нагруженных тонкостенных и толстостенных резервуарах тензометрическим методом.
4. Разработка тензометрических лабораторий по сопротивлению материалов для внедрения в учебный процесс с учетом профиля подготовки инженерно-технических специалистов в контексте компетентностного подхода в обучении.