[出处] 教育教学论坛_2022年第31期

洪 珍，谢小林，薛名山，范红青，罗一丹

（南昌航空大学 材料科学与工程学院，江西 南昌 330063）

引言

高校作为培育人才的摇篮，复合材料与工程专业的实验教学也必须与当前航空航天行业的发展相适应。因此，复合材料与工程专业有必要开设航空复合材料热压罐成型实验。目前航空复合材料热压罐成型的实验教学面临高温高压危险、设备及材料成本高、成型耗时长等问题。虚拟仿真实验能突破时空局限、成本高等问题，同时可以节省资金、空间等。利用互联网技术，学生可以随时动手反复操作虚拟仿真软件，教师可以在线查看学生实验情况并汇总查看学生的各项考核结果，师生互动程度高，从而提升学生的学习兴趣和创新能力，提高教学效果。飞机垂尾在航行中能控制飞机在左右（偏航）方向的运动，保持飞机的稳定性和控制飞机的飞行姿态，是飞机的关键零部件。树脂基复合材料应用在飞机垂尾上，能减重节能，提高燃油效率。因此，航空复合材料热压罐成型虚拟仿真实验以飞机垂尾作为实验教学对象，借助虚拟仿真技术，提高实验安全性，降低成本，并突破大型制造的时空限制。通过专业综合实验训练，巩固相关理论知识，提高学生的专业知识综合运用能力，大幅度提高学生的复合材料应用能力和创新能力。

一、复合材料热压罐成型虚拟仿真实验的必要性和实用性

热压罐成型是生产航空航天用树脂基复合材料零部件的主要方法。但是，热压罐成型实验因高温高压危险（100～250℃，1.0～2.8MPa）、制件尺寸大导致设备及材料成本高、设备耗能大、材料难回收再利用、成型耗时长等问题而不便向学生开放。（1）实验操作风险高，热压罐成型设备为特种压力容器设备。（2）设备及材料成本高，且材料不易回收利用，易造成环境污染。（3）在制备大型航空复合材料构件时，热压罐成型设备运行中耗能大，环氧树脂固化物及有害挥发物污染环境。（4）热压罐成型设备复杂、实验工序多、周期长、耗时长，现实实验效果有待提升。因此，建设和使用热压罐成型虚拟仿真实验，为培养实践能力强、创新精神足，能投身航空事业的复合型人才助力是必要的。南昌航空大学以碳纤维增强环氧树脂基复合材料在飞机垂尾上的应用为例，开发了热压罐成型虚拟仿真实验，使学生在虚拟空间完成环氧树脂配制、碳纤维预浸料制备、复合材料飞机垂尾热压罐成型等实验内容，克服安全、成本、空间、时间等现实条件的制约，从而提高教学效率和培养质量。

复合材料热压罐成型虚拟仿真实验的实用性主要为夯实基础、助教学；节能环保、易推广。（1）满足“强基”需要，助力培养高素质的航空复合材料成型人才。（2）虚拟仿真实验是解决课堂教学与前沿制造技术之间差距的有效途径。（3）虚拟仿真实验可避免产生“三废”，可免除实验废弃物长期存放而导致的安全隐患和环境污染问题。（4）虚拟仿真实验易推广。除了承担校内本科实验教学，也能助力兄弟院校及其他学校实验实训的线上教学，并为社会提供科普资源，让更多的人了解航空关键零部件的制备过程，以期能使更多人投身于航空事业。

二、复合材料热压罐成型虚拟仿真实验的实验系统和实验方法

（一）虚拟仿真实验的实验系统

该虚拟仿真实验聚焦于碳纤维增强环氧树脂基复合材料的热压罐成型过程，融合了复合材料与工程专业的树脂配方设计与配制、纤维增强树脂基预浸料制备、复合材料热压罐成型、预浸料及复合材料性能检测等知识点，旨在提高学生的知识习得率和自主设计实验能力。该实验运用三维建模、三维动画等技术手段，通过三维交互操作的方式让学生以第一人称的角度参与实验。同时，系统所有的仿真计算工作全在云端部署，系统能够根据学生设置的参数在短时间内计算出实验结果，以图形或文字的形式在场景中展示，使学生更直观的了解实验过程。系统通过“沉浸式”的操作方式，学生通过复合材料飞机垂尾热压罐成型的完整实验过程，学习预浸料制备、复合材料热压罐成型原理，掌握成型工艺参数的设计与控制的方法。

该实验采用三维模型的仿真和数学模型的仿真。（1）三维模型的仿真。实验中的三维模型依照实验室中的实物进行仿真，实验操作过程按照显示操作进行。从树脂配制、预浸料制备到模具准备、真空封装、热压固化成型进行全程仿真模拟，让学生在虚拟场景中能够亲自动手，熟悉实验过程，理解和掌握实验过程中的关键操作。（2）数学模型的仿真。虚拟仿真实验中所有的数值仿真计算工作全部在云端部署。学生设定树脂配方、预浸料制备工艺参数、热压罐固化工艺参数后，软件后台进行计算，得出该参数下的DSC曲线、预浸料性能、复合材料性能的结果。在运行过程中控制面板上会实时显示当前的运行状态，包括运行时间、模具内及罐内温度、压力、当前所处的步骤。在抽真空、加热、加压等运行步骤，热压罐自动切换成剖面展示，学生可以详细看到设备内部运行细节。在加热和冷却过程中，软件界面上会实时展示飞机垂尾制品温度场变化。将各个数据或结果点串联成曲线、图片、文字在终端显示供学生分析，并生成对应的结果评判。

（二）虚拟仿真实验的实验方法

1.控制变量法。对于树脂种类的选择，则根据预浸料制备的工艺性和性能要求，提出如何选择固态或液态的树脂，并给出树脂的合理配比说明。通过控制变量法，合理设计包括固化剂和促进剂等助剂的选择和配比，获得一系列的树脂配方，从而让学生掌握树脂配方设计的方法。对于预浸料的制备实验，控制纤维排布时的树脂温度、浸胶温度、烘干温度及排布速度等参数，让学生掌握排布工艺参数对预浸料性能的影响。对于热压罐成型实验，控制热压固化的温度、压力和时间等成型工艺参数，让学生掌握成型工艺参数对复合材料性能的影响。

2.比较法。不同的材料及配比、排布参数、预浸料的铺叠层数及铺层角度、成型工艺参数，将对应不同的预浸料性能和复合材料性能，让学生掌握材料及制品的性能的影响因素和规律。该实验对比各种不同类型的树脂和预浸料，以及不同的工艺参数，然后根据不同的类型或问题，确定相应的设计和制备方案。学生根据不同的方案，学习预浸料及复合材料的成型方法。

3.分类法。该实验涵盖了材料、结构、制品、性能等多个环节，将各个过程进行分类，分设多个实验模块。例如，材料设计实验模块、结构设计模块、制品成型实验模块、性能检测模块。这些实验模块既相互独立，又互有联系。

4.归纳法。该实验预设不同的材料和工艺参数，归纳总结出材料和工艺相关参数对预浸料和复合材料制品性能的影响规律。例如，固化剂用量偏少或固化温度偏低，将导致复合材料固化程度低、力学性能偏低。固化压力偏低，将导致复合材料的致密度偏低。

5.观察法。对于涉及的材料及制品性能的测试结果，该实验以图片、曲线、数据、文字等形式呈现。学生通过观察和分析，快速掌握实验相关知识。

三、复合材料热压罐成型虚拟仿真实验的教学设计和教学过程

（一）虚拟仿真实验的教学设计

该实验选取航空关键零部件飞机垂尾为实验对象，为复合材料热压罐成型学科知识提供多个切入点，同时也是航空强国相关课程思政内容的有力切入点。在课程内容的设计上，涵盖了从原材料到中间材料再到制品的整个复合材料成型过程，包含了材料、结构、性能、制品等多方面的知识。将传统的低阶实验转化为可设计的、创新性的、系统性的高阶实验，帮助学生及时掌握相关复杂技能。在实验流程设计中，为学生设计了通往理解知识的多种路径，并设置“问题空间”和“教学空间”。在实验过程中，系统及时给出评价，并向学生指出错在哪里以及应该做些什么，以便学生能有效地修正自己的学习结果。

该虚拟仿真实验通过虚拟仿真技术构建完整的热压罐成型实验场景。采用情景式教学方法，大幅提高学生对实验环境、实验现象的认知度；实施参与式教学方法，加强师生互动环节，提高学生掌握知识的效率；应用探索式教学模式，学生可自主设定参数，自主选择实验操作对象，激发学生参与实验的兴趣，培养创新能力。基于典型案例设置教学内容，增强学生对实际工程的认知水平，显著提高工程实践能力。

该虚拟仿真实验建立完整的评价机制，全面考查学生学习能力与实践能力。实验管理系统能够对学生实验的全过程进行记录与指导，对于学生预习效果、实验操作过程及实验成绩评价都有完备的评价体系，保障评价的科学性与公正性。实验平台设有良好的反馈机制，对于参加实验的学生的意见与建议都进行整理与反馈，为指导教师改进和完善实验平台提供参考，切实提高教学效果。

该虚拟仿真实验对传统教学进行延伸与拓展。热压罐成型技术属于材料学科前沿技术，相关教学、实践课程有助于本科生综合创新能力的培养。该实验借助虚拟技术实现真实环境的模拟与再现，让本科生“身临其境”接触实验环境并得到实验结果；有效弥补相关实验可参与性不强、可操作性不高的缺失，极大地拓展学生参与实验课程的广度与深度。该虚拟仿真实验所采用的模型与求解方法，依托具有自主知识产权的仿真模块搭建软件，实现先进的科研成果反哺教学、支撑教学，从而提升复合材料与工程专业本科教学实践水平。

（二）虚拟仿真实验的教学过程

1.课前预习。纤维增强树脂基复合材料预浸料制备和复合材料热压罐成型的设备和成型工艺原理相关知识在课本和网上都有资料，同时软件提供实验指导书、申报书、操作引导视频、实验简介视频等指导资料。学生均可自行查看，了解实验过程。通过查询资料，了解树脂配方设计原则、纤维预浸料的制备、预浸料裁剪铺叠和复合材料的热压罐成型过程，以及预浸料和复合材料的检测方法等相关知识。

2.开始探究实验。（1）沉浸式操作。学生进入虚拟呈现的设备场景中，直观形象、立体生动地体验、感知与操作高温高压特种设备，并采用设备设计和制备航空复合材料垂尾制品；掌握典型碳纤维增强环氧树脂基复合材料航空零部件的热压罐成型方法。（2）自主式设计。在虚拟仿真实验中，学生可以根据兴趣和说明提示自主选择或设计实验。学生了解自主设计的材料和工艺参数将对应哪些不同的性能或现象，克服现实实验不可逆的限制。学生通过自主设计，提高创新能力，并能有针对性地进行实验练习。（3）交互式练习。实验设置多个关键交互步骤，学生可以操作并掌握各部分内容。系统具有错误提示、正确操作提示和自动评价的功能，学生通过人机交互的方式，实现边练习、边学习、边调整，错误和不足之处及时得到改正和补充。系统自动记录实验过程，学生能及时了解与掌握学习的进程，进行自我纠错和总结；教师也能够通过平台看到每一个学生的实验操作，并且通过个性化或差异化的模式考核每一位学生，线上教师与学生进行互动提问与答疑，引导学生的实验操作。

3.提交实验报告及实验总结。当学生完成所有预设实验内容并掌握相关理论知识时，可以对实验参数设计与输出测试结果进行整理，在线撰写实验报告，提交至虚拟仿真实验平台保存。撰写实验报告时，系统提供Word版实验报告模板，供学生在线填写，学生需将实验步骤截图、实验数据、实验结论、心得体会等内容填入实验报告，再将填好的实验报告上传提交至平台。

结语

热压罐成型是生产航空航天用树脂基复合材料零部件的主要方法。热压罐成型实验因高温高压危险、设备及材料成本高、成型耗时长等问题而不便向学生开放。热压罐成型虚拟仿真实验以碳纤维增强环氧树脂基复合材料飞机垂尾为例，使学生在虚拟空间完成树脂配制、预浸料制备、飞机垂尾热压罐成型等实验内容，克服安全、成本、空间、时间等现实条件的制约，从而增加航空复合材料实验项目，体现材料类专业的航空特色，提高实验教学质量，增强学生实验能力。