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第十一届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛命题和竞赛总结任毅如1)方棋洪肖万伸彭凡周加喜杨刚刘文洋刘腾喜胡绚(湖南大学机械与运载工程学院力学系，长沙410082)摘要对第十一届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛的命题思路、竞赛过程进行了总结，并提出了相关的建议。
关键词周培源，力学竞赛，团体赛，力学学会，理论设计与操作中图分类号：O3文献标识码：Adoi：10.6052/1000-0879-18-0302017年8月10—12日，第十一届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛在湖南大学举行，本次团体赛参赛队伍达到了42支，参赛师生达到了280余人。
湖南大学负责本次团体赛的命题以及赛事组织工作，力学系等30多名教师参与了命题和组织工作。
经过两天的激烈比赛，清华大学代表队获得团体总分第一名。
1命题总结1.1命题原则由于培养高素质科技人才的需要，20世纪80年代由武际可教授建议开始举办全国青年力学竞赛，从第三届开始改名为全国周培源大学生力学竞赛，从第六届开始将团体赛调整为“理论设计与操作”竞赛[1-7]。
与个人赛不同，“理论设计与操作”团体赛要求根据提供的材料制作指定功能的装置，因此不仅需要对基础力学有深入的理解，更需要有较强的动手、团队协作和创新能力，到2017年已成功举办了5届[8-16]。
力学作为支撑航空航天、高铁、车辆和海洋工程等高科技的基础，周培源力学竞赛在培养大学生的创新能力方面有着不可替代的推动作用。
为了做好命题工作，我们仔细研究了历年竞赛试题、力学小问题和航空航天等各种前沿问题。
基于此，我们在命题过程中主要考虑如下几点：(1)与生活、工程与科技的前沿学科知识紧密结合。
从第六届周培源力学竞赛开始，周培源力学竞赛获奖者将在中国力学大会颁奖，鼓励大学生接触前沿科学知识，提高科学素养。
《力学与实践》期刊开辟了“教育研究”“全国周培源大学生力学竞赛”和“小问题”栏目，为竞赛提供了非常好的平台。
全国周培源大学生力学竞赛辅导材料力学
——冲击应力分析
•冲击应力分析
第三届力学竞赛题6
第四届力学竞赛题3
第五届力学竞赛题6
第七力学竞赛题4
注意在冲击过程中的能量转化
冲击物的能量（动能或势能）转化为被冲击物的变形能
第七届竞赛题4例题5-冲击
冲击称载荷作用下外伸梁
F
l a st h K d Δ++=211冲击动载荷系数：
m EI
l Fa EI Fa st 03146.03323=+=Δ静位移利用叠加法（逐段刚
化法）求：
2565.7211=Δ++=st h K d MPa W
a F K W M d d d 02.78**===σ将运动员视为弹性体，最大
动应力减少。
力学模型：
m
图示两根完全相同的悬臂梁，弯曲刚度为，在自由端两者有一间隙，今有一重物P 从高度落下，试求重物对梁的最大冲击力？假设：两梁变形均在弹性范围内，冲击物为刚体，被冲击梁质量不计，在冲击过程中，两梁共同运动。
EI Δ
h 练习题。
第十届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体冠军队的设计方案张涵寓;杨丰源;王仕青;张乾龙;谭栋国【摘要】简要介绍了湖南大学代表队在第十届周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛中的解题思路以及设计方案，总结了参加此次竞赛的几点心得体会。
【期刊名称】《力学与实践》【年(卷),期】2016(038)003【总页数】3页(P347-349)【关键词】力学竞赛;设计方案;心得体会【作者】张涵寓;杨丰源;王仕青;张乾龙;谭栋国【作者单位】湖南大学机械与运载工程学院，长沙 410006;湖南大学机械与运载工程学院，长沙 410006;湖南大学土木工程学院，长沙 410006;湖南大学机械与运载工程学院，长沙 410006;湖南大学机械与运载工程学院，长沙 410006【正文语种】中文【中图分类】O31;O341在第十届全国周培源大学生理论设计与操作团体赛中，湖南大学代表队以优异成绩完成全部4个项目的比赛，并取得特等奖.下面将对湖南大学代表队关于此次比赛4个项目的分析过程和设计方案进行简要介绍，希望对学生学习材料力学和理论力学课程以及今后参加力学竞赛团体赛有所启发和帮助.1.1 谁的刚度最大第一道题目要求根据提供的材料设计制作一个跨度为 800mm，具有一定刚度的悬臂结构（如图1），此题在本届4道题目中属于最容易的一道题目，规定完成时间也最短，要求考生具备在最短时间找出最优方案，并短时间内分工协作完成题目的能力.拿到题目后，由于可使用搭建悬臂结构的主材只有吸管，为了保证更大的惯性矩和更好的稳定性，我们团队很快就达成共识-使用桁架结构，如何在结构上寻找薄弱环节进行结构优化成为我们关注的焦点.经过深入思考与讨论，设计方案成型：考虑到四边形截面不利于结构稳定而且会耗费更多材料，其他更加复杂的截面形式所需要耗费制作时间又过长，所以我们采用三角形截面，并利用所给固定区域最大竖向距离确定三角形截面的高度；由于从自由端至固定端弯矩线性增大，所以设计变截面来节约材料；利用材料中的棉线作为斜拉索来限制梁的竖向挠度，并通过斜拉索使悬臂结构内部产生预应力，从而可以最大限度的减小结构变形.我们将吸管套接并用大头针固定，桁架利用在基座打孔穿钉的方式与基座固结，利用合理工序避免结构中有害的装配应力.手工制作误差使悬挂重物位置不一定在理论上的截面水平方向中点，通过试验确定螺母悬挂位置使得梁结构不发生扭转变形，完成了整个装置的制作，设计方案如图2所示.最终与上海交通大学代表队在此项目上并列第一.1.2 谁吊起的重物最重第2题题干要求利用所提供的材料设计制作一个起吊装置，如图3所示.该题目提供的材料比较丰富，思路难以把握，制作工艺复杂.经过仔细讨论，形成了一个统一的意见：设计一个塔吊结构.由于时间紧迫，确定了塔吊结构型式之后，我们就开始了塔吊的制作，并在制作过程中思考如何实现重物竖直运动到水平运动的转换.我们花了两个半小时来制作塔吊，由于该方案的工作量极大.还剩一个小时的时候，我们已经感觉到无法在规定时间内完成该方案.这时，一个大胆而疯狂的想法被提了出来：不搞任何复杂的机械结构和承重结构，只需要简单地实现重物的竖直运动，水平运动采取滑落的方式，而实现这一切只靠一根铁丝！这个方案之中有一个关键问题我们反复考虑：控制螺母水平方向滑落的铁丝除了末端没有任何其他固定和支撑，在螺母运动过程中铁丝会产生较大的变形限制运送螺母的数量，因此如何尽可能提高数量成了关键.于是我们完善了设计思路：木板当底座固定马达，木板上用筷子搭建一个简单牢固的高塔，铁丝弯成倒立的L型底端固定于底座，并且与木筷高塔独立.高塔的作用仅仅是传递马达产生的将重物竖直提升的力，而倒立L型铁丝充当导轨，将充当重物螺母套进铁丝固定螺母移动路径，实现水平运动仅仅靠倒立L型铁丝水平伸出的那一段.由于马达扭力强劲，实现竖直运动非常简单，水平运动中铁丝虽然会发生较大变形，但是足以将螺母滑送至目标位置.在试验成功之后，我们便开始思考如何增加装置的运送能力：利用组委会提供的铅笔当润滑剂使整个导轨更加光滑，利用力学数学相关知识优化了下滑钢丝导轨段的曲线形状，加固木筷高塔减小结构振动.最终使我们在规定的三个半小时比赛时间内顺利完成了装置的制作，并且以运送5个螺母的成绩完成了比赛.1.3 谁穿过隧道的能力最强本题要求制作一台小车，并使该装置储备一定的机械能.利用小车所储备的机械能，使小车前进的距离越远，获得的分数越高（图4）.这道题提供的制作材料较多，其中包括弹簧、微型的蓄力齿轮箱和发条.该题关键有两个：一是动力装置选择与装配，二是减小阻力.经过讨论，我们一致认为动力装置是重中之重，动力装置可以采用弹簧或者发条.由于考虑到弹簧过于简单，而提供的发条足够大，能够提供足够的动力，因此我们首先考虑采用采用发条的方案，仿照微型蓄力齿轮箱的结构，做一个适合比赛的蓄力齿轮箱来带动小车.但在实际制作过程中发现该装置需要在木板上制孔为蓄力齿轮箱提供支撑，而中间还要有三级齿轮传动，装置的精度我们完全无法保证，还有发条的固定等一系列问题难以在规定的时间内完成.最后还有半个小时，蓄力齿轮箱方案面临多个问题.此时，我们决定放弃蓄力齿轮箱方案，转投弹簧的方案，将橡皮管卷在车轮轴上，小车压缩弹簧，通过橡皮管的拉伸和压簧的压缩弹力作为动力来源，尽量简化装置，以减小摩擦.最后，小车跑了四米多远，顺利完成了比赛.1.4 谁找得最准最后是一道理论分析题，要求在给定的矩形面板（如图5所示）上确定一条直线，使得矩形板绕该直线转动时，所产生的振动最小.前面三道题都是设计操作方面的，这最后一题考查的是理论分析和实验结合的能力.这道题不仅考查准确度，还将完成速度作为考核指标.为了获得高分，必须权衡精度和速度.根据所学的力学知识，要想产生的振动最小，必定是绕面板过质心的惯性主轴转动，质心用悬挂法很容易测得，如何确定惯性主轴是其中的难点问题.由于矩形面板不规则，只能得到近似解，同时该题可以采用理论计算、实验和拆凑割补的方案，每一种方法都有误差，因此如何提高精度是关键.为了提高解题速度和精度，我们决定三个人分别采用三种不同的方案进行求解，然后再综合平均.理论计算的具体步骤为，首先过质心画一条线把板分成两块使其一侧尽量规则以便计算一侧质心，一侧质心必定与另一侧质心关于整个板的质心对称.连接一侧质心与整个板质心做出一条直线，看这条直线与一开始过质心做的直线是否垂直，如果不垂直就再次调整划分板的直线的角度，逐渐逼近真实结果.实验方法是将板在非常接近边界的位置打孔悬挂起来，此时悬挂点与质心连线所形成的轴必定垂直于大地，操纵悬挂线旋转带动板绕轴旋转，观察轴的振动情况，如果轴线始终与大地垂直不产生振动，则找出答案.所以此实验也属于试错法，但是在做实验的过程中，空气阻力是无法控制的变量，导致实验有一定误差.拆凑割补方法也是在近似的情况下进行的，第一步和方案一类似，找一个过质心的轴，左右两侧划分成小块区域，寻找对应关于轴可平衡区域.如果不平衡必定存在找不到对应区域的小区域，则再次调整轴线夹角重复以上过程，直到两侧小区域一一对应为止.在比赛进行50分钟之后，我们把各自找到的直线进行比对，很惊奇地发现，我们三人的答案极其接近.于是，最终结果取的是三人结果的平均值.最终我们给出的精度极高，这场比赛我们也获得了95.8的全场最高分.本次力学竞赛结束了，回顾从赛前培训到比赛期间的经历，有许多心得体会可以分享.赛前，指导教师为我们制定了十余天的培训计划.我们对精心挑选的培训题目进行了理论分析和实际操作，提高了我们的动手操作能力.完成后我们还对题目进行深入讨论，对其中涉及的理论力学和材料力学知识进行归纳总结.比赛过程中，我们会用十多分钟将题目认真通读两遍，弄清题目要求、评分标准并检查材料是否齐全，队员独自思考五分钟后便开始讨论确定设计思路，根据队员实际擅长安排分工动手制作.当制作中发现新问题不确定能否解决时，我们便安排其中一名同学寻找新思路，另两名同学继续原有思路制作，确保能够完成比赛.当作品完成，我们继续对不足之处进行弥补和改善.全国周培源大学生力学竞赛是一项适应我国教育改革潮流的赛事[1]，给全国上下热爱力学的青年学子一个展现自我才华的机会，让大学生在公平竞争中提高自身理论水平与创新能力，拓展了大学生的眼界.真诚希望全国周培源大学生力学竞赛越办越好.致谢感谢湖南大学力学系任毅如老师、方棋洪老师和肖万伸老师在本次竞赛和论文写作过程中对我们进行的悉心指导和帮助.【相关文献】1武际可.在第七届全国周培源大学生力学竞赛团体赛开幕式上的讲话（二）.力学与实践，2009，31（5）：101-102。
