《复合材料力学》课程虚拟仿真实验建设与实践.pdf

西南交通大学学报（社会科学版）2023 年 2 月 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY Feb.2023 第 24 卷 （Social Sciences)Vol.24 增刊第 2 期 实验教学 复合材料力学课程虚拟仿真实验建设与实践 刘伟，孙毅，樊久铭，李志兴，姚辽军，李忠刚，高维成，果立成（哈尔滨工业大学 力学国家级实验教学示范中心,哈尔滨,150001）摘 要：为推进现代信息技术与高等教育实验教学的深度融合，服务于复合材料力学系列课程，课程组设计了试样、组件、部件等不同层次的复合材料结构强度与稳定性积木式验证虚拟仿真实验，有效拓展了实验教学内容的广度和深度。通过参与该实验，学生可加深对课程知识点的理解，体验复合材料结构强度与稳定性积木式验证基本流程，提高知识综合运用能力、工程实践能力和系统思维能力。关键词：虚拟仿真；复合材料；积木式实验；结构强度；稳定性 作者简介：刘伟(1979-)，男，黑龙江哈尔滨人，教授，博士生导师，主要从事复合材料力学、理论力学、结构动力学、冲击动力学方面的教学和科研工作。E-mail：。一.前言 为推进现代信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源的建设与应用，开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作对推动高校实验教学改革、提高人才培养质量具有重要意义1-5。全国高等工科院校工程力学专业、复合材料与工程专业，均会开设复合材料力学、复合材料结构设计相关必修课程或选修课程，培养学生掌握复合材料及其宏微观力学性能分析方法、经典层合板理论及设计方法、复合材料结构分析与设计方法等，使学生掌握复合材料结构分析、结构设计及产品设计，培养学生针对具体使用环境对复合材料结构进行分析和设计的能力。为加深对所有理论知识体系的理解，开展复合材料结构强度与稳定性“积木式”设计与验证方法的相关教学实验是十分必要的。但复合材料价格高昂、制造成本高，开展全过程的典型复合材料结构强度与稳定性“积木式”验证实验技术难度大、复杂程度高、实验规模大、成本消耗高、工作周期长，在现实场景中开展全部实验的课堂教学几乎是不可能的。因此建设复合材料结构强度与稳定性“积木式”验证虚拟仿真实验教学项目是十分必要的。增刊第 2 期 145 刘 伟 复合材料力学课程虚拟仿真实验建设与实践 二.复合材料结构设计积木式验证思想 航空/航天复合材料结构多为薄壁结构，主要采用单向（织物）预浸料铺叠并固化而成的层压结构，具有高度各向异性、脆性和非均匀性，特别是层间性能远低于层内性能等特点，使得其强度、刚度、稳定性、损伤失效、破坏模式、断裂疲劳等性能与金属结构差异甚大，不能完全由理论设计方法和有限元模拟来准确预测，必须通过设计试样、元件、典型结构件、组合件、部件、全尺寸整机等不同层次的实验来逐级进行设计验证实验，分阶段早期验证所选择的关键部位结构形式能满足规定的设计要求，来保证其结构完整性，即“积木式”设计验证方法（图 1）。图 1 积木式验证实验层级关系 复合材料结构强度与稳定性积木式验证实验方法的基本原理是在分析/验证的过程中逐步增加试件的复杂程度，增大试件尺寸和规模进行分析和实验验证。试样和元件级别的试验用于建立材料性能数据库。典型结构件、组合件、部件级别的试验用于结构设计与验证。实验层级越低，实验越简单，但试验件的数量越多；实验层级越高，试验件的数量越少，但实验的复杂度越高。低层次的实验数据为高层次的结构设计和验证提供支持，并可减少高层实验的风险，而高层次的实验可以更可靠的验证低层次的设计和分析方法。三.虚拟仿真实验建设与实践（一）实验基本原理 1）单层板的宏观力学分析实验测试 单层的宏观力学分析是层合板结构分析与设计的基础，是复合材料结构积木式设计验证方法的试样层。单层的基本强度，包括纵向拉伸强度、纵向压缩强度、横向拉伸强度、横向压缩强度、面内剪切强度，可以通过复合材料力学性能实验测得。2）层合板的宏观力学分析、设计与实验测试 层合板的刚度和强度分析一般采用宏观力学分析方法，层合板设计是复合材料结构设计验证方法的元件层。设计好的层合板的力学性能受铺层材料、铺层形式和成型工艺影响，计算结果只能给出146 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 评估值，具体数据还需根据设计的层合板纵向拉伸压缩、横向拉伸压缩和面内剪切实验测得。3）层合板的稳定性（屈曲）分析、设计与实验验证 飞机机翼、尾翼和机身上的薄壁/加筋结构，当承受压缩、剪切、扭转和弯曲等载荷作用时，最常见的失效模式是丧失稳定性。常见的工况有剪切载荷作用下四边简支层压板屈曲分析、单向轴压作用下四边简支层压板屈曲分析。为了保证结构的使用安全，除了需对相关结构进行稳定性分析和相应的强度校核外，还需进行结构实验验证，属于复合材料结构积木式设计验证方法中的典型结构件层级和组合件层级。4）复合材料盒段结构稳定性综合分析与实验验证 复合材料盒段在现代飞机机翼和尾翼结构设计中应用最多，主要由复合材料蒙皮、桁条、翼梁等组成。为验证所设计的复合材料盒段结构稳定性及静强度综合性能，多采用施加弯矩和扭矩的方式开展稳定性综合实验验证，进而实现对盒段上的壁板受压或受压剪复合载荷下的稳定性实验，对梁腹板受剪的稳定性实验。（二）虚拟仿真设计 本虚拟仿真实验项目的场景要素包括实验场地、实验设备、实验对象、实验过程、实验结果等，能够给予学生学习的真实体验与感受。主要做到了以下几点：1)为了使实验学生直观地了解实验场地、实验设备、实验对象，本虚拟实验依照实物高精准建立相关模型，目的是使学生进行虚拟实验室有实物实验身临其境的感觉。2)为了使实验学生准确地掌握实验操作流程和参数设置，本虚拟实验的实验过程依据实物实验和实验标准进行真实还原，目的是使学生完成虚拟实验后掌握实物实验操作的方法和步骤。3)为了使实验学生科学地分析实验数据和实验结果，本虚拟实验的实验数据和实验结果依据实际科研项目的真实实验数据和结果进行有效重构，目的是使学生完成虚拟实验后掌握真实实验数据与结果的分析能力。（三）实验操作流程 操作内容包括课程引论、复合材料力学性能实验、梁腹板剪切稳定性实验、壁板压缩稳定性实验、部件级稳定性综合验证实验。在课程引论部分可以进行复合材料积木式实验验证方法相关理论学习，引出本虚拟仿真实验项目的具体内容。复合材料力学性能是静强度分析的前提，是积木式静强度实验的第一级别，包括三个类型实验（图 2），分别为复合材料单轴拉伸实验、复合材料单轴压缩实验、复合材料剪切实验，可通过虚拟环境分别测试单向板或不同铺层典型层合板基本力学性能。图 2 复合材料力学性能实验 增刊第 2 期 147 刘 伟 复合材料力学课程虚拟仿真实验建设与实践 结构试样虚拟仿真实验做完之后，进入组合件实验模块。该模块试验包括梁腹板剪切稳定性实验，壁板压缩稳定性实验，可通过虚拟环境分别测试不开口、开口、开口补强的梁腹板剪切稳定性实验结果，测试壁板压缩稳定性实验结果。组合件虚拟仿真实验做完之后，进入部件级稳定性综合实验模块（图 3），该模块实验是上述两个层级虚拟仿真实验的综合。根据上述最优选择，学生可沉浸式浏览结构连接形式，学习连接构造，加深对飞行器结构力学、复合材料结构设计相关知识点的理解。图 3 部段级结构稳定性综合实验（四）实验教学过程 教学过程采用研讨式、线上线下混合式教学方法、群组学习模式开展，综合运用远程沉浸式、协同交互式体验教学等手段，以提高师生教学参与和互动为目标，坚持课程思政，把立德树人作为教育的根本任务，建立以学生为中心的自适应成长体系，通过研讨、线上线下混合、群组学习模式提高学生对复合材料结构强度与稳定性积木式验证虚拟仿真实验的能力，综合检验所学理论知识与技术方法的运用。具体的教学模块安排如图 4 所示。图 4 教学模块安排（五）实验教学特色 课程梳理出复合材料结构积木式设计与验证方法中的典型案例，设计了从试样、元件、典型结构件、组件、部件等不同层次积木式设计验证实验，各教学内容模块彼此衔接又相对独立，突破了现实实验成本高、规模大、周期长、安全性差、场地受限等难题，有效拓展实验教学内容的广度和深度。课程以学生为中心，采用研讨式、线上线下混合式教学方法，群组学习模式，建立了知识储备阶段、实验准备阶段、实验开展阶段和讨论总结阶段四位一体且各具特色的虚拟实验教学体系，提升学生在教学过程中的参与程度和理解度，提高学生自主开展实验的专业素质，有效延伸了实验教学的时间和空间。课程建立了平台反馈机制，针对教学设计中的核心知识点，在实验教学过程中的不同阶段设置了多种形式的考核及测试环节，能够分阶段且全面地评价学生对实验的掌握程度以及教学目标的达成度。同时采取在线教学支持方式，对参加实验学生各方面的建议、评价与反馈信息，进行全面系统的统计分析，方便指导教师了解学生对课程内容的掌握情况，提高教学效果。148 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 四、结论 1.课程转化于航空航天前沿领域最新科研成果，基于科教融合理念，实现理论教学与工程实践教学一体化融合，注重学生工程创新意识培养，强化学生解决实际工程问题的能力和思维，具有较好的高阶性、创新性和挑战度。2.教学内容和资源丰富，既具备基础性，又具备前沿性，包括复合材料力学性能实验、梁腹板剪切稳定性实验、壁板压缩稳定性实验及部件级盒段稳定性综合验证试验，能够满足高校教学和企事业单位学习者自主学习的需求。3.课程建立了知识储备阶段、实验准备阶段、实验开展阶段和讨论总结阶段四位一体且各具特色的虚拟实验教学体系，有效拓展实验教学内容的广度和深度、延伸实验教学时间和空间，提高学生自主开展实验的专业素质，培养学生的系统思维能力。参考文献：1 吴岩.建设中国金课J.中国大学教学.2018,(12):4-9 2 雷冬,朱飞鹏,殷德顺,武清玺.力学虚拟仿真教学实验室建设的探讨J.实验技术与管理,2014,31(12):95-96.3 苏晓勇,徐送林.虚拟仿真实验教学中心建设的解读与思考J.实验室科学,2018,21(01):188-190.4 李贵,徐春明,王兴东,等.虚拟仿真技术在机械设计实验教学中的应用实践J.中国现代教育装备,2021(15):27-30.5 田英,王兴波,傅贵武,等.工程教育背景下智能制造虚拟仿真实验教学平台建设J.中国设备工程,2021(07):214-215.