“航空发动机强度与振动”教学改革的探索与思考

摘 要：“航空发动机强度与振动”是飞行器动力工程专业的核心课程之一，是提高学生的理论水平和工程应用的重要途径。首先从知识结构、学生学习兴趣点和任课教师的要求三个方面，分析了“航空发动机结构与强度”课程中的现状；针对这些问题，分别从知识体系、教学手段和教师知识结构方向进行优化，重点分析了四种具体的教学手段；最后通过学生反馈的效果表明，本课程的改革是成功的。

关键词：航空发动机 强度与振动 教学改革

发动机叶片、轮盘与轴是航空发动机中重要的零件，其工况的好坏直接关系到民用发动机性能的优劣和使用的安全。在实际使用中，由于转子部件的破坏而造成发动机失效的例子屡见不鲜。因此在民用发动机设计和维修过程中，要对转动部件进行细致的强度与振动分析计算。

中国民航大学是目前我国唯一一所民航学科专业门类齐全、将航空宇航科学技术与交通运输工程两大学科群交叉融合的高等学府[1，2]。飞行器动力工程专业的该校的核心专业之一。其本科学生的课程培养，主要包括“工程热力学与气体动力学”、“航空发动机工作原理”、“航空发动机控制”和“航空发动机结构”四大方向。而“航空发动机强度与振动”又是“航空发动机结构”的核心课程之一。“航空发动机强度与振动”是一个涵盖多学科的、具有统一性的一门课程，先修课程包含高等数学、理论力学、材料力学、航空发动机原理和航空发动机构造等基础知识和专业基础知识，为后续航空发动机测试与试验技术、航空发动机失效分析、航空发动机故障诊断等课程和本科毕业设计作传接和铺垫。通过该课程，培养学生的实际工程问题的能力。

由于“航空发动机强度与振动”课程具有理论深、学科交叉严重和工程应用强等特点，该课程的教学与改革一直是课程组的重要工作之一。由于实践能够调动学生的主观能动性[3]，培养适合我国民航科技发展的人才[4]，本文针对中国民航大学“飞行器动力工程”专业的课程“航空发动机强度与振动”课程进行教学改革的讨论与研究。

一、“航空发动机强度与振动”课程中存在的问题

1.理论课程抽象，知识交叉明显

民航业是典型的技术密集型行业，而航空发动机又是该行业的核心，并且几乎涵盖了工程领域内最尖端的知识。在实际工程中，航空发动机的强度与振动主要有流体工质和固体结构组成。考虑到我国学生本科阶段的知识培养情况，中国民航大学的“航空发动机强度与振动”中的“强度”方向立足于固体力学的静力学知识，“振动”方向侧重于动力学和运动学方面的知识。通过学习叶片、轮盘和联接件的强度计算，叶片、盘和壳体的振动分析，发动机的振动与平衡等知识，使学生掌握发动机主要零件力学模型的建立和强度计算的方法，学会发动机主要零件的振动分析和整体振动分析的方法。

“航空发动机强度与振动”课程的主要内容包含为：

（1）叶片强度：叶片的工作条件模型化、离心拉伸应力、弯曲应力、气动力、总应力的计算，影响叶片强度的因素，叶片的低周疲劳；

（2）轮盘强度：轮盘的工作条件、载荷类型和典型的故障类型，轮盘强度计算的基本公式，各种几何形状的轮盘强度计算，轮盘强度的基本公式，几何形状的轮盘强度计算，轮盘强度的近似计算方法，轮盘弹塑性状态的强度问题，轮盘的许用应力；

（3）联接零件的强度：涡轮轴的受力分析，轴的强度计算，花键的受力分析、强度计算，球形联结器承压验算，联接螺钉的强度计算；

（4）叶片振动：各种振型、弯曲振动、扭转振动、复合振动等，截面叶片振动数学模型及其自振频率，变截面叶片弯曲振动的各种分析方法，叶片扭转及其他复杂振动，影响自振频率的因素，振动应力分析方法、激振力分析、振动阻尼、颤振及其他振动，排除叶片振动故障方法；

（5）盘和发动机壳体振动：圆盘振动的各种振型、节径、自振频率、动波、壳体振动基本概念，自振频率和消除壳体振动方法；

（6）发动机的转动部件的振动与平衡：发动机转子系统临界转速计算方法，轴质量对临界转速的影响，支承弹性的影响，陀螺力矩的影响，其他影响临界转速的因素。整机振动检测与分析。发动机转子静平衡、动平衡方法。

从以上所属课程内容可以看出：“航空发动机强度与振动”课程中涉及的知识点相当多，相互之间含有大量的定义和需要推导的公式，使得课程内容较为抽象。

以风扇叶片为例：由于风扇叶片包含有窄弦实心叶片、宽弦蜂窝叶片、宽弦空心叶片和复合材料叶片等多种结构，其强度与振动的知识就涉及到气体动力学、弹性力学、有限元分析、疲劳与断裂、复合材料力学等方面。这对于处于本科阶段的学生来说，要求掌握较多的交叉知识。

2.学生学习难度大，理解难

由于“航空发动机强度与振动”课程内容的需要，本门课程一般放在本科第三年下半学期或第四年上半学期，此阶段其他大部分课程都属于描述性的课程，而“航空发动机强度与振动”设计中有较多的公式推导，整体显得艰涩和枯燥。同时，教师对航空发动机的典型部件进行结构分析过程中，课堂的板书、教室的纪律等因素的影响，如果学生在学习的过程中，思想开了小差，必定会导致前后知识的衔接出现了问题，更加使得学生学习起来感觉难度大，学好本门课程难。

由于航空发动机的结构复杂性，大部分课程包含了固体力学中的解析解和半解析解，对于知识层次处于本科阶段的学生来说，很难理解课程中相关内容。虽然从公式表面看，“航空发动机强度与振动”公式推导简单，但是要求学生自己去分析实际工况的航空发动机零部件。学生往往无从下手。特别是当代航空发动机零部件的结构细节相差较大，要求学生独立建立相关模型的时候，学生普遍反映比较困难。

3.课程对任课教师要求高

“航空发动机结构与强度”课程的内容由于其独立性，要求任课教师有扎实的力学和实验测试技术，同时不断吸取国内外先进的航空发动机制造和维护技术。课程对任课教师的要求普遍较高。其原因为：

一方面，现阶段国内的航空院校，主要教授的课程内容都是军用航空发动机，由于军用和民用航空发动机，在技术要求和工作环境上，还是有较大区别的：军用发动机强调作战性能和推力性能，而民用发动机则强调安全性和经济性；另一方面，由于民用航空发动机的技术难度大，国外的科研机构对相关的知识一直处于保密状态，任课教师在获取最前沿的民用航空发动机的结构强度知识方面，一直都比较困难。

同时由于该课程内容抽象，如何吸引学生的学习兴趣，加深学生对航空发动机的结构强度的认知上，也需要任课教师挖尽心思去琢磨不同的教法，尽可能的引导学生的学习主观能动性。

二、解决“航空发动机强度与振动”课程不足的途径

1.知识结构条理化

针对课程知识点结构交叉的特点，“航空发动机强度与振动”课程组在讲授本课程的时候，将课程内容进行条理化。将课程中结构相近的零部件进行系统的学习。例如在讲授风扇叶片的结构强度的同时，同时对比讲解压气机叶片和涡轮叶片。并且对转子叶片和静子叶片，在受力分析的同时，也进行讲解。在讲授涡轮盘的强度分析同时，也讲解压气机盘和风扇盘。让学生学习压气机的动平衡时，同时学习涡轮的动平衡，以及整个转动部件的动平衡。这样，相近的知识结构进行归纳统一，让学生在学习后续知识的同时，也在复习以前的相关知识。

2.多种教学手段教学，增加学生的主观能动性

通过近四年的摸索，“航空发动机强度与振动”课程组探讨了多种教学手段：

（1）优化教材内容，及时更新课件。现阶段由于国内并没有统一规划的教材，课程组在系统学习国外发动机的设计制造厂的技术资料后，结合国内北航南航西工大三所高校的讲义，编写了适用于中国民用航空发动机的强度与振动的教材。同时积极参与国外民用航空发动机在国内的培训部门的培训，优化了“航空发动机强度与振动”的课程内容。

（2）加强课程设计的广度，适量控制深度。“航空发动机强度与振动”课程设置了为期2周的课程设计，通过任课教师前期的指导，由学生个人或团队完成课程设计。一般情况下，要求学生运用ANSYS、Fluent或Abqus等成熟的商业软件，通过查阅航空发动机零部件的结构形式，材料性质等技术手册，对发动机的零部件进行气体动力学、传热学、疲劳与断裂等分析。最后对分析的结构，采用Excel或Origin进行相关的图文处理。这些工程软件的熟悉，对学生以后的设计维修能力，空间想象能力和工程认知能力都有较大的提高。

（3）细化实验课程，提高学生的动手能力。现阶段，我校为“航空发动机强度与振动”课程更新了2个实验室：零部件模态实验室和转子振动实验室。新引入了高速转子试验台，优化了针对叶片和轮盘的锤击仪器，扩大了实验室的设备台数和用房。将学生由过去的实验课时有2个增加到5个，同时严抓实验报告的质量，以便提高学生的动手能力。

（4）通过实习提高学生的工程认知能力。在讲授“航空发动机强度与振动”课程的同时，及时将学生引入民用飞机的驾驶舱，讲授在驾驶舱的P2面板的显示电子组件上，显示发动机转子结构的振动情况；同时在实习过程中，打开航空发动机的包皮，讲解发动机铭牌上的N1配平原理。同时，任课教师在民航企业带队实习时，在发动机的装配和维修车间，给学生讲解常用的民航发动机风扇叶片对称安装的机理、发动机振动和配平机理，从而提高学生的认知能力。

3.优化教师的知识结构，完善教师团队

现阶段，“航空发动机强度与振动”课程组老师主要由国外留学归来，或国内重点院校的博士讲解该课程，为了优化教师的知识结构，课程组积极鼓励大家进行学术交流研讨，同时，派送任课教师去国外学习，去民用航空发动机制造商的培训机构实习，去国内航空公司和维修部门学习调研，从各个方面优化课程的人才梯队。

三、课程改革后实施的效果

通过2012年至2015年的改革和试验，“航空发动机强度与振动”课程实施的效果良好，取得了阶段性的成功。

（1）学生的出勤率和听课效果良好。近4年，学生的出勤率由过去约75%上升到95%以上。坐在前排的同学普遍增加，学生反映良好。通过学生反馈给教师的评分系统中，好评率一直在95%以上。

（2）“航空发动机强度与振动”考试的及格率和优秀率有较大的提高。不及格率从2012年的10%下降至5%，甚至多次在随堂测验中，及格率达到100%。卷面成绩中80以上者从2012年的10%上升至20%；

（3）毕业设计指导教师及用人单位普遍反映良好。由于后续课程很多是面向工程实际，通过毕业设计指导教师反映，学生初步掌握常用的工程分析软件，做毕业设计和到工作单位，上手快。

结束语

工科大学教师是教师，同时也是工程师。作为中国民航大学飞行器动力工程专业的一名任课教师，担负着未来国内民用航空发动机工程师的培养工作。如何更好的使得学生将理论和实践结合起来，一直是“航空发动机强度与振动”课程组的重任。在教学过程中，积极调动和挖掘学生的学习主动性，从教学内容、课程设计、实验课程和工程实践中，为学生创造良好的学习条件，最终达到学生无论在理论上，还是在工程实际运用上，都有较好的提高。

参考文献

[1]但敏，李书明，王春蕾，任宁宁. 民航专业大学生的创新能力培养研究. 教育教学论坛[J]，2013，23：19-20.

[2]但敏，周毛等.民航机务专业学生的创新能力培养研究[J].教育教学论坛，2014，23：29-31.

[3]张强，周裔彬，王乃富等.”粮油加工工艺”课程中机械设备教学方法的思考[J].农产品加工，2016，405：86-88.

[4]陈元江，陈奕名. 从战略高度加强民航科技人才队伍建设[J]. 中国民用航空，2006，9：43-45.