洪 珍，謝小林，薛名山，范紅青，羅一丹

（南昌航空大學 材料科學與工程學院，江西 南昌 330063）

引言

高校作為培育人才的搖籃，復合材料與工程專業(yè)的實驗教學也必須與當前航空航天行業(yè)的發(fā)展相適應。因此，復合材料與工程專業(yè)有必要開設航空復合材料熱壓罐成型實驗。目前航空復合材料熱壓罐成型的實驗教學面臨高溫高壓危險、設備及材料成本高、成型耗時長等問題。虛擬仿真實驗能突破時空局限、成本高等問題，同時可以節(jié)省資金、空間等。利用互聯(lián)網(wǎng)技術，學生可以隨時動手反復操作虛擬仿真軟件，教師可以在線查看學生實驗情況并匯總查看學生的各項考核結果，師生互動程度高，從而提升學生的學習興趣和創(chuàng)新能力，提高教學效果。飛機垂尾在航行中能控制飛機在左右（偏航）方向的運動，保持飛機的穩(wěn)定性和控制飛機的飛行姿態(tài)，是飛機的關鍵零部件。樹脂基復合材料應用在飛機垂尾上，能減重節(jié)能，提高燃油效率。因此，航空復合材料熱壓罐成型虛擬仿真實驗以飛機垂尾作為實驗教學對象，借助虛擬仿真技術，提高實驗安全性，降低成本，并突破大型制造的時空限制。通過專業(yè)綜合實驗訓練，鞏固相關理論知識，提高學生的專業(yè)知識綜合運用能力，大幅度提高學生的復合材料應用能力和創(chuàng)新能力。

一、復合材料熱壓罐成型虛擬仿真實驗的必要性和實用性

熱壓罐成型是生產(chǎn)航空航天用樹脂基復合材料零部件的主要方法。但是，熱壓罐成型實驗因高溫高壓危險（100～250℃，1.0～2.8MPa）、制件尺寸大導致設備及材料成本高、設備耗能大、材料難回收再利用、成型耗時長等問題而不便向學生開放。（1）實驗操作風險高，熱壓罐成型設備為特種壓力容器設備。（2）設備及材料成本高，且材料不易回收利用，易造成環(huán)境污染。（3）在制備大型航空復合材料構件時，熱壓罐成型設備運行中耗能大，環(huán)氧樹脂固化物及有害揮發(fā)物污染環(huán)境。（4）熱壓罐成型設備復雜、實驗工序多、周期長、耗時長，現(xiàn)實實驗效果有待提升。因此，建設和使用熱壓罐成型虛擬仿真實驗，為培養(yǎng)實踐能力強、創(chuàng)新精神足，能投身航空事業(yè)的復合型人才助力是必要的。南昌航空大學以碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料在飛機垂尾上的應用為例，開發(fā)了熱壓罐成型虛擬仿真實驗，使學生在虛擬空間完成環(huán)氧樹脂配制、碳纖維預浸料制備、復合材料飛機垂尾熱壓罐成型等實驗內容，克服安全、成本、空間、時間等現(xiàn)實條件的制約，從而提高教學效率和培養(yǎng)質量。

復合材料熱壓罐成型虛擬仿真實驗的實用性主要為夯實基礎、助教學；節(jié)能環(huán)保、易推廣。（1）滿足“強基”需要，助力培養(yǎng)高素質的航空復合材料成型人才。（2）虛擬仿真實驗是解決課堂教學與前沿制造技術之間差距的有效途徑。（3）虛擬仿真實驗可避免產(chǎn)生“三廢”，可免除實驗廢棄物長期存放而導致的安全隱患和環(huán)境污染問題。（4）虛擬仿真實驗易推廣。除了承擔校內本科實驗教學，也能助力兄弟院校及其他學校實驗實訓的線上教學，并為社會提供科普資源，讓更多的人了解航空關鍵零部件的制備過程，以期能使更多人投身于航空事業(yè)。

二、復合材料熱壓罐成型虛擬仿真實驗的實驗系統(tǒng)和實驗方法

（一）虛擬仿真實驗的實驗系統(tǒng)

該虛擬仿真實驗聚焦于碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的熱壓罐成型過程，融合了復合材料與工程專業(yè)的樹脂配方設計與配制、纖維增強樹脂基預浸料制備、復合材料熱壓罐成型、預浸料及復合材料性能檢測等知識點，旨在提高學生的知識習得率和自主設計實驗能力。該實驗運用三維建模、三維動畫等技術手段，通過三維交互操作的方式讓學生以第一人稱的角度參與實驗。同時，系統(tǒng)所有的仿真計算工作全在云端部署，系統(tǒng)能夠根據(jù)學生設置的參數(shù)在短時間內計算出實驗結果，以圖形或文字的形式在場景中展示，使學生更直觀的了解實驗過程。系統(tǒng)通過“沉浸式”的操作方式，學生通過復合材料飛機垂尾熱壓罐成型的完整實驗過程，學習預浸料制備、復合材料熱壓罐成型原理，掌握成型工藝參數(shù)的設計與控制的方法。

該實驗采用三維模型的仿真和數(shù)學模型的仿真。（1）三維模型的仿真。實驗中的三維模型依照實驗室中的實物進行仿真，實驗操作過程按照顯示操作進行。從樹脂配制、預浸料制備到模具準備、真空封裝、熱壓固化成型進行全程仿真模擬，讓學生在虛擬場景中能夠親自動手，熟悉實驗過程，理解和掌握實驗過程中的關鍵操作。（2）數(shù)學模型的仿真。虛擬仿真實驗中所有的數(shù)值仿真計算工作全部在云端部署。學生設定樹脂配方、預浸料制備工藝參數(shù)、熱壓罐固化工藝參數(shù)后，軟件后臺進行計算，得出該參數(shù)下的DSC曲線、預浸料性能、復合材料性能的結果。在運行過程中控制面板上會實時顯示當前的運行狀態(tài)，包括運行時間、模具內及罐內溫度、壓力、當前所處的步驟。在抽真空、加熱、加壓等運行步驟，熱壓罐自動切換成剖面展示，學生可以詳細看到設備內部運行細節(jié)。在加熱和冷卻過程中，軟件界面上會實時展示飛機垂尾制品溫度場變化。將各個數(shù)據(jù)或結果點串聯(lián)成曲線、圖片、文字在終端顯示供學生分析，并生成對應的結果評判。

（二）虛擬仿真實驗的實驗方法

1.控制變量法。對于樹脂種類的選擇，則根據(jù)預浸料制備的工藝性和性能要求，提出如何選擇固態(tài)或液態(tài)的樹脂，并給出樹脂的合理配比說明。通過控制變量法，合理設計包括固化劑和促進劑等助劑的選擇和配比，獲得一系列的樹脂配方，從而讓學生掌握樹脂配方設計的方法。對于預浸料的制備實驗，控制纖維排布時的樹脂溫度、浸膠溫度、烘干溫度及排布速度等參數(shù)，讓學生掌握排布工藝參數(shù)對預浸料性能的影響。對于熱壓罐成型實驗，控制熱壓固化的溫度、壓力和時間等成型工藝參數(shù)，讓學生掌握成型工藝參數(shù)對復合材料性能的影響。

2.比較法。不同的材料及配比、排布參數(shù)、預浸料的鋪疊層數(shù)及鋪層角度、成型工藝參數(shù)，將對應不同的預浸料性能和復合材料性能，讓學生掌握材料及制品的性能的影響因素和規(guī)律。該實驗對比各種不同類型的樹脂和預浸料，以及不同的工藝參數(shù)，然后根據(jù)不同的類型或問題，確定相應的設計和制備方案。學生根據(jù)不同的方案，學習預浸料及復合材料的成型方法。

3.分類法。該實驗涵蓋了材料、結構、制品、性能等多個環(huán)節(jié)，將各個過程進行分類，分設多個實驗模塊。例如，材料設計實驗模塊、結構設計模塊、制品成型實驗模塊、性能檢測模塊。這些實驗模塊既相互獨立，又互有聯(lián)系。

4.歸納法。該實驗預設不同的材料和工藝參數(shù)，歸納總結出材料和工藝相關參數(shù)對預浸料和復合材料制品性能的影響規(guī)律。例如，固化劑用量偏少或固化溫度偏低，將導致復合材料固化程度低、力學性能偏低。固化壓力偏低，將導致復合材料的致密度偏低。

5.觀察法。對于涉及的材料及制品性能的測試結果，該實驗以圖片、曲線、數(shù)據(jù)、文字等形式呈現(xiàn)。學生通過觀察和分析，快速掌握實驗相關知識。

三、復合材料熱壓罐成型虛擬仿真實驗的教學設計和教學過程

（一）虛擬仿真實驗的教學設計

該實驗選取航空關鍵零部件飛機垂尾為實驗對象，為復合材料熱壓罐成型學科知識提供多個切入點，同時也是航空強國相關課程思政內容的有力切入點。在課程內容的設計上，涵蓋了從原材料到中間材料再到制品的整個復合材料成型過程，包含了材料、結構、性能、制品等多方面的知識。將傳統(tǒng)的低階實驗轉化為可設計的、創(chuàng)新性的、系統(tǒng)性的高階實驗，幫助學生及時掌握相關復雜技能。在實驗流程設計中，為學生設計了通往理解知識的多種路徑，并設置“問題空間”和“教學空間”。在實驗過程中，系統(tǒng)及時給出評價，并向學生指出錯在哪里以及應該做些什么，以便學生能有效地修正自己的學習結果。

該虛擬仿真實驗通過虛擬仿真技術構建完整的熱壓罐成型實驗場景。采用情景式教學方法，大幅提高學生對實驗環(huán)境、實驗現(xiàn)象的認知度；實施參與式教學方法，加強師生互動環(huán)節(jié)，提高學生掌握知識的效率；應用探索式教學模式，學生可自主設定參數(shù)，自主選擇實驗操作對象，激發(fā)學生參與實驗的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新能力?；诘湫桶咐O置教學內容，增強學生對實際工程的認知水平，顯著提高工程實踐能力。

該虛擬仿真實驗建立完整的評價機制，全面考查學生學習能力與實踐能力。實驗管理系統(tǒng)能夠對學生實驗的全過程進行記錄與指導，對于學生預習效果、實驗操作過程及實驗成績評價都有完備的評價體系，保障評價的科學性與公正性。實驗平臺設有良好的反饋機制，對于參加實驗的學生的意見與建議都進行整理與反饋，為指導教師改進和完善實驗平臺提供參考，切實提高教學效果。

該虛擬仿真實驗對傳統(tǒng)教學進行延伸與拓展。熱壓罐成型技術屬于材料學科前沿技術，相關教學、實踐課程有助于本科生綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。該實驗借助虛擬技術實現(xiàn)真實環(huán)境的模擬與再現(xiàn)，讓本科生“身臨其境”接觸實驗環(huán)境并得到實驗結果；有效彌補相關實驗可參與性不強、可操作性不高的缺失，極大地拓展學生參與實驗課程的廣度與深度。該虛擬仿真實驗所采用的模型與求解方法，依托具有自主知識產(chǎn)權的仿真模塊搭建軟件，實現(xiàn)先進的科研成果反哺教學、支撐教學，從而提升復合材料與工程專業(yè)本科教學實踐水平。

（二）虛擬仿真實驗的教學過程

1.課前預習。纖維增強樹脂基復合材料預浸料制備和復合材料熱壓罐成型的設備和成型工藝原理相關知識在課本和網(wǎng)上都有資料，同時軟件提供實驗指導書、申報書、操作引導視頻、實驗簡介視頻等指導資料。學生均可自行查看，了解實驗過程。通過查詢資料，了解樹脂配方設計原則、纖維預浸料的制備、預浸料裁剪鋪疊和復合材料的熱壓罐成型過程，以及預浸料和復合材料的檢測方法等相關知識。

2.開始探究實驗。（1）沉浸式操作。學生進入虛擬呈現(xiàn)的設備場景中，直觀形象、立體生動地體驗、感知與操作高溫高壓特種設備，并采用設備設計和制備航空復合材料垂尾制品；掌握典型碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料航空零部件的熱壓罐成型方法。（2）自主式設計。在虛擬仿真實驗中，學生可以根據(jù)興趣和說明提示自主選擇或設計實驗。學生了解自主設計的材料和工藝參數(shù)將對應哪些不同的性能或現(xiàn)象，克服現(xiàn)實實驗不可逆的限制。學生通過自主設計，提高創(chuàng)新能力，并能有針對性地進行實驗練習。（3）交互式練習。實驗設置多個關鍵交互步驟，學生可以操作并掌握各部分內容。系統(tǒng)具有錯誤提示、正確操作提示和自動評價的功能，學生通過人機交互的方式，實現(xiàn)邊練習、邊學習、邊調整，錯誤和不足之處及時得到改正和補充。系統(tǒng)自動記錄實驗過程，學生能及時了解與掌握學習的進程，進行自我糾錯和總結；教師也能夠通過平臺看到每一個學生的實驗操作，并且通過個性化或差異化的模式考核每一位學生，線上教師與學生進行互動提問與答疑，引導學生的實驗操作。

3.提交實驗報告及實驗總結。當學生完成所有預設實驗內容并掌握相關理論知識時，可以對實驗參數(shù)設計與輸出測試結果進行整理，在線撰寫實驗報告，提交至虛擬仿真實驗平臺保存。撰寫實驗報告時，系統(tǒng)提供Word版實驗報告模板，供學生在線填寫，學生需將實驗步驟截圖、實驗數(shù)據(jù)、實驗結論、心得體會等內容填入實驗報告，再將填好的實驗報告上傳提交至平臺。

結語

熱壓罐成型是生產(chǎn)航空航天用樹脂基復合材料零部件的主要方法。熱壓罐成型實驗因高溫高壓危險、設備及材料成本高、成型耗時長等問題而不便向學生開放。熱壓罐成型虛擬仿真實驗以碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料飛機垂尾為例，使學生在虛擬空間完成樹脂配制、預浸料制備、飛機垂尾熱壓罐成型等實驗內容，克服安全、成本、空間、時間等現(xiàn)實條件的制約，從而增加航空復合材料實驗項目，體現(xiàn)材料類專業(yè)的航空特色，提高實驗教學質量，增強學生實驗能力。