李　鋒

摘 要:案例教學(xué)法是培養(yǎng)學(xué)生探索創(chuàng)新精神的行之有效的教學(xué)形式之一。其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對(duì)案例的精選和開(kāi)發(fā)，使之具有更豐富的形式和內(nèi)涵，以便提供更廣闊的創(chuàng)新思維空間。好的教學(xué)案例既能體現(xiàn)靈活運(yùn)用科學(xué)原理，又能體現(xiàn)益智和教育功能。在教學(xué)實(shí)踐中，我們體會(huì)到，開(kāi)發(fā)利用優(yōu)質(zhì)案例資源是培育創(chuàng)新精神的重要途徑。

關(guān)鍵詞:案例教學(xué)創(chuàng)新 材料力學(xué)

案例教學(xué)法是培養(yǎng)學(xué)生探索創(chuàng)新精神的行之有效的教學(xué)形式之一。其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對(duì)案例的精選和開(kāi)發(fā)，使之具有更豐富的形式和內(nèi)涵，以便提供更廣闊的創(chuàng)新思維空間。一般的工程實(shí)例只須具有事實(shí)素材上的針對(duì)性和典型性，而好的教學(xué)案例還應(yīng)是有益有趣、多姿多彩，能夠引人思索，令人回味，啟人心智；既能體現(xiàn)靈活運(yùn)用科學(xué)原理，又能體現(xiàn)益智和教育功能。在教學(xué)實(shí)踐中，我們體會(huì)到，開(kāi)發(fā)利用優(yōu)質(zhì)案例資源，通過(guò)對(duì)相關(guān)案例進(jìn)行反思和感悟是培育創(chuàng)新精神的一個(gè)重要途徑。本文介紹了在材料力學(xué)課程教學(xué)中開(kāi)發(fā)應(yīng)用的3個(gè)典型案例。

案例一：高強(qiáng)度螺栓脆性斷裂

事件：遼寧某化機(jī)廠生產(chǎn)的臥式壓力容器在產(chǎn)品檢驗(yàn)中需進(jìn)行大量的水壓試驗(yàn)。該容器端蓋用32根高強(qiáng)度螺栓固定，螺栓正常工作應(yīng)力的安全系數(shù)n=2.5。在時(shí)間緊、任務(wù)重的情況下，當(dāng)班工人為了提高工效，擅自將固定容器端蓋的螺栓數(shù)量減了一半，認(rèn)為半數(shù)螺栓足以保證原有的密封和安全性能。結(jié)果沒(méi)想到，在試驗(yàn)中當(dāng)內(nèi)壓接近規(guī)定的試驗(yàn)壓力時(shí)，全部螺栓突然同時(shí)崩斷，端蓋飛出，造成了事故。所幸尚未導(dǎo)致人員傷亡。

問(wèn)題：2.5倍的安全系數(shù)為何不能保證半數(shù)螺栓的安全承載？螺栓斷裂前為什么沒(méi)有首先發(fā)生容器泄漏，而是直接出現(xiàn)脆性的強(qiáng)度破壞？

分析：關(guān)于螺栓工作時(shí)的安全程度，當(dāng)班工人只知其一，不知其二。其實(shí)，水壓試驗(yàn)壓力并不等于容器正常操作壓力，而是它的1.5倍。這是安全規(guī)程的要求，對(duì)于壓力容器這樣的重要產(chǎn)品必須采用更為嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。由于螺栓數(shù)減半，螺栓實(shí)際應(yīng)力為正常操作時(shí)的1.5×2=3倍，對(duì)于安全系數(shù)2.5的設(shè)計(jì)顯然已不再能滿足強(qiáng)度條件的要求。通常的結(jié)構(gòu)鋼材被拉斷之前會(huì)發(fā)生大的屈服變形，由此判斷，似應(yīng)首先出現(xiàn)容器泄漏并導(dǎo)致壓力降低。此案例沒(méi)有發(fā)生容器泄漏，這是因?yàn)槁菟ㄊ遣捎媒?jīng)過(guò)熱處理的高強(qiáng)度鋼材，其名義屈服強(qiáng)度已顯著提高，達(dá)到其強(qiáng)度極限的0.9倍。高強(qiáng)度螺栓直到斷裂之前的塑性變形都很小，不足以引起容器嚴(yán)重泄漏。容器沒(méi)有首先泄漏，也可能是因?yàn)槁菟ㄔ谏暇o的過(guò)程中，其預(yù)緊力已經(jīng)超越了規(guī)定值，以此彌補(bǔ)螺栓數(shù)減半后總壓緊力的損失。這一因素也會(huì)加速螺栓被“意外”拉斷的進(jìn)程并增加破壞時(shí)的脆性。

案例二：神秘的高壓容器泄漏

事件：大連某煉油廠建廠初期對(duì)進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)收檢測(cè)。一臺(tái)受內(nèi)壓的高壓容器在試壓時(shí)端蓋部位出現(xiàn)了嚴(yán)重泄漏現(xiàn)象。廠方首先懷疑密封部件存在質(zhì)量問(wèn)題，經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢測(cè)后排除了這種可能性。有人懷疑沿周邊均布的高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力可能不均勻，實(shí)際上螺栓預(yù)緊是由專用設(shè)備按專門程序完成的，可以保證螺栓力成對(duì)同步對(duì)稱逐級(jí)地增加到預(yù)定值，因此，不存在壓力偏心和壓力不足的可能性。經(jīng)過(guò)重復(fù)試驗(yàn)，同樣的泄漏現(xiàn)象依然如故，神秘的泄漏使試壓人員感到迷惑不解。大連理工大學(xué)的一個(gè)科研小組應(yīng)邀參與解決這一難題，提出了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的解決方案。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)定，在規(guī)定的容器操作壓力下，螺栓的緊固力偏小，不足以滿足密封條件，而相應(yīng)的螺栓工作應(yīng)力僅達(dá)其屈服強(qiáng)度的一半，即此時(shí)螺栓工作應(yīng)力的安全系數(shù)n=2。按照設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，螺栓工作應(yīng)力設(shè)計(jì)值取其屈服強(qiáng)度的0.6倍。在儀器現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)下繼續(xù)增大螺栓的預(yù)緊力，直至泄漏現(xiàn)象完全消失，最終的螺栓工作應(yīng)力實(shí)測(cè)為其屈服強(qiáng)度的0.8倍，相應(yīng)的螺栓安全系數(shù)n=1.25。為保證設(shè)備正常工作，按照上述測(cè)量結(jié)果需對(duì)原操作說(shuō)明書(shū)做出相應(yīng)的修改，這一修改意見(jiàn)最終得到了技術(shù)轉(zhuǎn)讓方的認(rèn)可。

問(wèn)題：嚴(yán)格按照操作規(guī)程上緊螺栓卻還會(huì)出現(xiàn)容器嚴(yán)重泄漏說(shuō)明了什么？操作規(guī)程規(guī)定的螺栓強(qiáng)度安全系數(shù)是n=2，最終實(shí)際取用的是n=1.25，這意味著已經(jīng)不滿足原強(qiáng)度條件，并且相差甚大，為什么會(huì)被允許？

分析：泄漏現(xiàn)象說(shuō)明原設(shè)備密封操作條件未得到滿足，或螺栓的密封預(yù)緊力過(guò)小，再加上螺栓還受到內(nèi)壓引起的拉力作用而使密封失效。由于緊固螺栓的程序完全是嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行的，這說(shuō)明規(guī)定的螺栓預(yù)緊條件與螺栓設(shè)計(jì)的強(qiáng)度條件相矛盾，即原來(lái)的操作規(guī)程對(duì)螺栓采用了過(guò)大的強(qiáng)度安全系數(shù)，以至于不能滿足正常使用功能的要求。修正后的安全系數(shù)雖然低了很多，但尚有必要的強(qiáng)度儲(chǔ)備，而且，螺栓上緊程序是受到專用設(shè)備嚴(yán)格控制的，超載的可能性遠(yuǎn)低于人工加載方式，因此，較低的安全系數(shù)可以被接受。否則，若認(rèn)為1.25倍的安全系數(shù)偏低，必須修改設(shè)計(jì)，換用更高強(qiáng)度級(jí)別的螺栓才行。

點(diǎn)評(píng)：反思上述兩起涉及壓力容器固定螺栓的事件，一個(gè)是強(qiáng)度實(shí)效，一個(gè)是密封失效，分析所得的結(jié)論也截然不同。前者強(qiáng)調(diào)了滿足螺栓強(qiáng)度條件的重要性，試驗(yàn)中工人必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程才能防止事故發(fā)生。后者說(shuō)明，當(dāng)嚴(yán)格論證后確認(rèn)操作條件的某些規(guī)定是不合理的，可以而且必須突破原操作規(guī)程的限制。兩者的根本區(qū)別是：螺栓失效的性質(zhì)和控制因素不相同，因而，主要矛盾也不相同。強(qiáng)度實(shí)效發(fā)生在極限狀態(tài)，那是個(gè)不可超越的限制；而密封實(shí)效時(shí)，螺栓的工作應(yīng)力距離強(qiáng)度極限尚遠(yuǎn)，螺栓的安全系數(shù)需要根據(jù)密封工作條件適當(dāng)?shù)厝≈?。必須指出，?dāng)依據(jù)科學(xué)判斷有必要采取措施突破操作規(guī)程的限制時(shí)，必須要有可靠的安全監(jiān)控手段，同時(shí)，還要經(jīng)過(guò)必要的審批程序。

案例三：巧解斷纜難題

事件：輸油船穿梭在遼東灣的海上采油平臺(tái)之間，卸載儲(chǔ)油罐中的石油。輸油船在作業(yè)時(shí)，用纜繩通過(guò)位于平臺(tái)一側(cè)的系纜樁來(lái)固定船位。2001年冬季，船纜的巨大拉力曾造成了兩起破壞事件。第一次，固定系纜樁的地腳螺栓被拉斷了，說(shuō)明船纜的拉力已經(jīng)超載。為了減小拉力，系船的纜繩增加為三根分別系在三個(gè)獨(dú)立的樁上。在另一次輸油作業(yè)接近完成時(shí)，三根胳膊粗細(xì)的纜繩中的一根又被拉斷了。這些事件引起有關(guān)部門的高度重視，因?yàn)閿嗬|可能導(dǎo)致船位瞬時(shí)失控，萬(wàn)一與平臺(tái)直接相撞，后果不堪設(shè)想。有關(guān)方面請(qǐng)來(lái)專業(yè)人員參與探討對(duì)策。觀察發(fā)現(xiàn)，船纜的巨大拉力直接來(lái)源于大面積漂流冰排作用在船體上的水平推力，這個(gè)推力大小取決于冰在船體上破壞的強(qiáng)度，可認(rèn)為是個(gè)常數(shù)。另一個(gè)因素是船纜線的傾角，即船纜線與水平面的夾角。斷纜破壞是在船體裝載和潮位變化的最不利組合條件下發(fā)生的。經(jīng)過(guò)分析，專家提出的了改變作業(yè)時(shí)間的對(duì)策，由此避免了同類破壞的再次發(fā)生。

問(wèn)題：船纜所受的拉力與時(shí)間存在什么關(guān)系？為什么改變輸油時(shí)間能解決船纜的強(qiáng)度問(wèn)題？

分析：三根船纜存在固定位置、傾角和系纜順序上的差別，構(gòu)成一個(gè)靜不定系統(tǒng)，相應(yīng)的拉力各不相同，且總有一根處于最危險(xiǎn)狀態(tài)。若將船纜所受拉力的水平分量看作是一個(gè)常數(shù)，則拉力的大小是船纜線的傾角的增函數(shù)。船纜強(qiáng)度分析的最不利條件在傾角最大時(shí)，或者說(shuō)船甲板處于最低位置時(shí)發(fā)生。我們知道，一方面，輸油船的吃水深度會(huì)隨裝載量的增加而增大，而海平面由高潮位轉(zhuǎn)為低潮位可產(chǎn)生最大的落差；另一方面，由于輸油作業(yè)的耗時(shí)約為6小時(shí)，與潮汐的周期大致相等。這樣，如果輸油作業(yè)從高潮位的時(shí)刻開(kāi)始，裝滿船艙時(shí)又恰逢低潮位，會(huì)產(chǎn)生最不利因素的組合，這正是斷纜破壞發(fā)生的實(shí)際情況。由于遼東灣的潮差很大，它對(duì)船纜受力的不利影響非常顯著。根據(jù)這一分析，輸油船采用了改變作業(yè)時(shí)間的建議：輸油從低潮位時(shí)刻開(kāi)始，至高潮位時(shí)結(jié)束，這樣輸油時(shí)船體吃水深度的增加會(huì)被潮位的上升所抵消。之后的實(shí)踐表明，這一不需花錢的對(duì)策巧解了斷纜的難題。

點(diǎn)評(píng)：拉伸強(qiáng)度分析的原理極為簡(jiǎn)單，可表達(dá)為F/A([(]。普通的計(jì)算例題雖然也存在不同的計(jì)算類型，但通過(guò)強(qiáng)度不等式的定量關(guān)系，完全可以舉一反三。然而，上述三個(gè)案例雖都涉及材料拉伸強(qiáng)度問(wèn)題，但事件中的突出現(xiàn)象、矛盾、問(wèn)題、影響因素和解決途徑卻不盡相同。第一個(gè)案例中，強(qiáng)度破壞的原因是減小了總螺栓截面積A。第二個(gè)案例中，密封失效的原因是不適當(dāng)?shù)貙?duì)螺栓取用了過(guò)低的許用應(yīng)力。第三個(gè)案例討論降低或限制軸向拉力F的途徑。這些案例中存在比計(jì)算例題更多的內(nèi)涵值得回味和反思。首先，三個(gè)案例都沒(méi)有歸結(jié)為一個(gè)力學(xué)模型的數(shù)值計(jì)算，而是將討論的重點(diǎn)放在定性分析的過(guò)程上，定性分析沒(méi)有現(xiàn)成的公式可以套用；其次，三個(gè)案例也并非是應(yīng)用同一原理或方法，實(shí)際上三個(gè)案例側(cè)重于不同的主題，因此也不可能套用某一思維定勢(shì)從一個(gè)案例的結(jié)果中舉一反三地推斷出其余案例的解答來(lái)，求解必須對(duì)具體問(wèn)題作具體分析；第三，案例本身并沒(méi)有為我們直接提供一個(gè)對(duì)一類問(wèn)題普遍有效的方法論，僅僅是展現(xiàn)了不同事件的過(guò)程和結(jié)果的事實(shí)，所有的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，心得體會(huì)都要靠案例分析的參與者們自己通過(guò)剖析和反思去領(lǐng)悟或感悟。置身案例情景，情感交融的辨析過(guò)程創(chuàng)設(shè)了培養(yǎng)創(chuàng)新精神所需的良好氛圍。

案例討論和分析著重于對(duì)事件主要矛盾、主要矛盾方面和主導(dǎo)因素的辨識(shí)，有利視角、有效方法、可靠途徑的選取等，這為參與者提供了難得的間接創(chuàng)新思維的機(jī)會(huì)。設(shè)身處地地情景運(yùn)用，深入細(xì)致地剖析反思，使學(xué)生們切身體驗(yàn)當(dāng)事者的困惑，探索者的膽識(shí)，質(zhì)疑者的勇氣和成功者的睿智。在這一過(guò)程中，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)將得到激發(fā)，創(chuàng)新思維將得到鍛煉，創(chuàng)新精神將得到升華。