姚佳偉+劉夢(mèng)瑤

摘 要：基于中國(guó)民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院飛機(jī)結(jié)構(gòu)與材料方向復(fù)合材料類課程的課程建設(shè)，以培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力為目標(biāo)，創(chuàng)新性地以項(xiàng)目為導(dǎo)向，開發(fā)并實(shí)踐了集復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制備及測(cè)試為一體的綜合性實(shí)驗(yàn)課程。采取了實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬多種技術(shù)手段，達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題、創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)合作及語言表達(dá)等能力的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 綜合實(shí)驗(yàn)課程 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng) 開發(fā)與實(shí)踐

一、項(xiàng)目確立

以空客A380為例，復(fù)合材料在機(jī)翼、地板、垂尾、中央翼盒、整流罩等多處使用，占結(jié)構(gòu)重量的25%。學(xué)生在掌握復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀、力學(xué)性能及可生產(chǎn)性等綜合性能的基礎(chǔ)上，啟發(fā)學(xué)生以工程技術(shù)人員的理念思考問題，嘗試設(shè)計(jì)應(yīng)用于某飛機(jī)部件的新型材料或優(yōu)化現(xiàn)役材料。學(xué)生自愿組成項(xiàng)目組，成員人數(shù)不易過大，以3-4人為宜。學(xué)生在分組時(shí)，建議學(xué)生考慮學(xué)習(xí)能力，性格特點(diǎn)及興趣愛好等因素，形成一個(gè)彼此互補(bǔ)，有利于后期項(xiàng)目開展的小組。以小組討論的形式，確定要優(yōu)化設(shè)計(jì)的飛機(jī)部件，從而確定項(xiàng)目題目。

二、項(xiàng)目實(shí)施

為了使項(xiàng)目流程更加清晰，將項(xiàng)目構(gòu)建成由開始、展開、結(jié)束三個(gè)階段組合而成的整體。

1.項(xiàng)目開始階段

在項(xiàng)目的開始階段，項(xiàng)目組需要明確優(yōu)化設(shè)計(jì)方向及方案。組織學(xué)生以小組形式圍繞題目展開討論，要求學(xué)生通過查閱專業(yè)書籍、期刊文獻(xiàn)、飛機(jī)手冊(cè)等資料進(jìn)行調(diào)研，明確所選飛機(jī)部件的功能、服役環(huán)境，現(xiàn)役材料的種類、使用及維修情況等，分析總結(jié)目前存在的問題，從而引導(dǎo)學(xué)生提出優(yōu)化方向，給出對(duì)材料優(yōu)化的具體描述，例如性能要求、加工成型要求等。鼓勵(lì)學(xué)生活躍思想，展開頭腦風(fēng)暴，不要局限于常規(guī)材料，基于調(diào)研結(jié)果，制定優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及后續(xù)項(xiàng)目安排。

在學(xué)生小組討論的過程中，要善于傾聽，引導(dǎo)，對(duì)學(xué)生提出的問題給予解答，對(duì)學(xué)生提出的新想法給予關(guān)注肯定。

2.項(xiàng)目展開階段

在項(xiàng)目展開階段，項(xiàng)目組需要執(zhí)行方案，并進(jìn)行測(cè)試及評(píng)估。包括復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制備及測(cè)試多項(xiàng)內(nèi)容，考察學(xué)生的綜合能力。

（1）設(shè)計(jì)

由于復(fù)合材料性能特點(diǎn)，材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及到選材，復(fù)合原理，鋪層方式，厚度等內(nèi)容。

根據(jù)項(xiàng)目組對(duì)優(yōu)化材料的設(shè)計(jì)要求，可以找出符合要求的材料。若為復(fù)合材料，則可省去復(fù)合原理這一內(nèi)容，通過CES EduPack軟件可直接獲得單層復(fù)合材料的各項(xiàng)性能參數(shù)；在實(shí)際應(yīng)用中單層復(fù)合材料不單獨(dú)使用，而作為層合結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的基本單元。單層復(fù)合材料是各項(xiàng)異性材料，以拉伸性能為例，長(zhǎng)纖維為主要承受拉力的組分，因此平行于纖維方向的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于垂直于纖維方向的抗拉強(qiáng)度。將多層單層復(fù)合材料粘合在一起組成整體，構(gòu)成層合板，層合板的性能與各層單層板的性能有關(guān)，且與各層單層板的鋪設(shè)方式有關(guān)。層合板的厚度對(duì)其彎曲、屈曲性能有重要影響，若所選飛機(jī)部件受彎曲、屈曲，指導(dǎo)學(xué)生注意層合板厚度，厚度越大，抵抗彎曲和屈曲的能力越大[13]。

（2）制備

項(xiàng)目組針對(duì)復(fù)合材料層合板組分、鋪層方向及厚度等問題進(jìn)行分析，完成設(shè)計(jì)工作。實(shí)驗(yàn)室備有常用單層長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料預(yù)浸料，如：碳纖維增強(qiáng)、玻纖增強(qiáng)、凱夫拉增強(qiáng)、玻碳混編、凱夫拉碳混編。若項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的新型材料為實(shí)驗(yàn)室已有材料，該項(xiàng)目組基于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備熱壓罐，制備復(fù)合材料層合板；若為其他材料，項(xiàng)目組基于Patran、Nastran、Abaqus等有限元軟件模擬復(fù)合材料層合板。

復(fù)合材料熱壓罐成型主要用于高性能復(fù)合材料制備，是基于熱壓罐內(nèi)部的程控溫度和靜態(tài)氣體壓力，使復(fù)合材料預(yù)浸料在一定溫度和壓力下完成固化及成型。指導(dǎo)項(xiàng)目組成員將復(fù)合材料預(yù)浸料裁成合適大小，根據(jù)鋪層方向及厚度，鋪設(shè)鋪層，為了保證鋪層貼合，沒有氣泡、褶皺等現(xiàn)象，可用電吹風(fēng)加熱預(yù)浸料之后進(jìn)行鋪貼。將鋪貼好的鋪層及其他所需材料工裝示意圖鋪放，置于真空袋中，接入熱壓罐內(nèi)，設(shè)置溫度、壓力等工藝參數(shù)，壓制復(fù)合材料層合板。熱壓過程中關(guān)注罐體壓力和溫度變化情況。

（3）測(cè)試

按照熱壓固化制度固化完成后，從熱壓罐罐體內(nèi)取出復(fù)合材料層合板。為進(jìn)行測(cè)試，需按照不同性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)切割試樣。由于復(fù)合材料切割需要嚴(yán)格的除塵通風(fēng)環(huán)境及專業(yè)的切刀，試樣切割由合作企業(yè)代為完成。

根據(jù)項(xiàng)目組對(duì)復(fù)合材料不同設(shè)計(jì)優(yōu)化要求，項(xiàng)目組要根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)復(fù)合材料層合板試樣進(jìn)行力學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)測(cè)試。以常用力學(xué)測(cè)試為例，實(shí)驗(yàn)室配有Introns萬能試驗(yàn)機(jī)及沖擊試驗(yàn)機(jī)，基本能滿足學(xué)生測(cè)試?yán)?、壓縮、彎曲、沖擊等力學(xué)性能測(cè)試的需求。

結(jié)語

由于復(fù)合材料的性能特點(diǎn)，性能影響因素較多，使得復(fù)合材料的理論教學(xué)一直困擾著高校師生，以項(xiàng)目為導(dǎo)向的復(fù)合材料綜合性實(shí)驗(yàn)課程，將理論教學(xué)融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生深入理解并掌握復(fù)合材料的性能特點(diǎn)。

該綜合性實(shí)驗(yàn)課程集復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制備及測(cè)試為一體，囊括了復(fù)合材料性能的主要因素：組分、鋪層、厚度、制備工藝等，借助了選材軟件、有限元軟件、熱壓罐及試驗(yàn)機(jī)等多種軟硬件，采取了實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬多種技術(shù)手段，并以項(xiàng)目為導(dǎo)向，配以多維度的評(píng)價(jià)方式對(duì)學(xué)生能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題、創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)合作及語言表達(dá)等綜合能力的目標(biāo)。

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