项目驱动的复合材料设计、制备及测试综合实验课程的开发与实践

姚佳伟+刘梦瑶

摘 要：基于中国民航大学中欧航空工程师学院飞机结构与材料方向复合材料类课程的课程建设，以培养学生工程应用能力为目标，创新性地以项目为导向，开发并实践了集复合材料设计、制备及测试为一体的综合性实验课程。采取了实验及数值模拟多种技术手段，达到了培养学生独立分析问题、解决问题、创新、团队合作及语言表达等能力的目标。

关键词：复合材料 综合实验课程 项目驱动 开发与实践

一、项目确立

以空客A380为例，复合材料在机翼、地板、垂尾、中央翼盒、整流罩等多处使用，占结构重量的25%。学生在掌握复合材料应用现状、力学性能及可生产性等综合性能的基础上，启发学生以工程技术人员的理念思考问题，尝试设计应用于某飞机部件的新型材料或优化现役材料。学生自愿组成项目组，成员人数不易过大，以3-4人为宜。学生在分组时，建议学生考虑学习能力，性格特点及兴趣爱好等因素，形成一个彼此互补，有利于后期项目开展的小组。以小组讨论的形式，确定要优化设计的飞机部件，从而确定项目题目。

二、项目实施

为了使项目流程更加清晰，将项目构建成由开始、展开、结束三个阶段组合而成的整体。

1.项目开始阶段

在项目的开始阶段，项目组需要明确优化设计方向及方案。组织学生以小组形式围绕题目展开讨论，要求学生通过查阅专业书籍、期刊文献、飞机手册等资料进行调研，明确所选飞机部件的功能、服役环境，现役材料的种类、使用及维修情况等，分析总结目前存在的问题，从而引导学生提出优化方向，给出对材料优化的具体描述，例如性能要求、加工成型要求等。鼓励学生活跃思想，展开头脑风暴，不要局限于常规材料，基于调研结果，制定优化设计方案及后续项目安排。

在学生小组讨论的过程中，要善于倾听，引导，对学生提出的问题给予解答，对学生提出的新想法给予关注肯定。

2.项目展开阶段

在项目展开阶段，项目组需要执行方案，并进行测试及评估。包括复合材料设计、制备及测试多项内容，考察学生的综合能力。

（1）设计

由于复合材料性能特点，材料的优化设计涉及到选材，复合原理，铺层方式，厚度等内容。

根据项目组对优化材料的设计要求，可以找出符合要求的材料。若为复合材料，则可省去复合原理这一内容，通过CES EduPack软件可直接获得单层复合材料的各项性能参数；在实际应用中单层复合材料不单独使用，而作为层合结构分析计算的基本单元。单层复合材料是各项异性材料，以拉伸性能为例，长纤维为主要承受拉力的组分，因此平行于纤维方向的抗拉强度远远高于垂直于纤维方向的抗拉强度。将多层单层复合材料粘合在一起组成整体，构成层合板，层合板的性能与各层单层板的性能有关，且与各层单层板的铺设方式有关。层合板的厚度对其弯曲、屈曲性能有重要影响，若所选飞机部件受弯曲、屈曲，指导学生注意层合板厚度，厚度越大，抵抗弯曲和屈曲的能力越大[13]。

（2）制备

项目组针对复合材料层合板组分、铺层方向及厚度等问题进行分析，完成设计工作。实验室备有常用单层长纤维增强复合材料预浸料，如：碳纤维增强、玻纤增强、凯夫拉增强、玻碳混编、凯夫拉碳混编。若项目组设计的新型材料为实验室已有材料，该项目组基于实验室设备热压罐，制备复合材料层合板；若为其他材料，项目组基于Patran、Nastran、Abaqus等有限元软件模拟复合材料层合板。

复合材料热压罐成型主要用于高性能复合材料制备，是基于热压罐内部的程控温度和静态气体压力，使复合材料预浸料在一定温度和壓力下完成固化及成型。指导项目组成员将复合材料预浸料裁成合适大小，根据铺层方向及厚度，铺设铺层，为了保证铺层贴合，没有气泡、褶皱等现象，可用电吹风加热预浸料之后进行铺贴。将铺贴好的铺层及其他所需材料工装示意图铺放，置于真空袋中，接入热压罐内，设置温度、压力等工艺参数，压制复合材料层合板。热压过程中关注罐体压力和温度变化情况。

（3）测试

按照热压固化制度固化完成后，从热压罐罐体内取出复合材料层合板。为进行测试，需按照不同性能测试的标准切割试样。由于复合材料切割需要严格的除尘通风环境及专业的切刀，试样切割由合作企业代为完成。

根据项目组对复合材料不同设计优化要求，项目组要根据测试标准，设计实验方案，对复合材料层合板试样进行力学、热学及电学测试。以常用力学测试为例，实验室配有Introns万能试验机及冲击试验机，基本能满足学生测试拉伸、压缩、弯曲、冲击等力学性能测试的需求。

结语

由于复合材料的性能特点，性能影响因素较多，使得复合材料的理论教学一直困扰着高校师生，以项目为导向的复合材料综合性实验课程，将理论教学融入到实验教学中，使学生深入理解并掌握复合材料的性能特点。

该综合性实验课程集复合材料设计、制备及测试为一体，囊括了复合材料性能的主要因素：组分、铺层、厚度、制备工艺等，借助了选材软件、有限元软件、热压罐及试验机等多种软硬件，采取了实验及数值模拟多种技术手段，并以项目为导向，配以多维度的评价方式对学生能力进行综合评价，达到了培养学生独立分析问题、解决问题、创新、团队合作及语言表达等综合能力的目标。

参考文献

[1]沈军，谢怀勤. 航空用复合材料的研究与应用进展[J]. 玻璃钢/复合材料，2006，（05）：48-54.

[2]沈军，谢怀勤.先进复合材料在航空航天领域的研发与应用[J].材料科学与工艺，2008，16（05）：737-740

[3] 赵云峰.先进纤维增强树脂基复合材料在航空航天工业中的应用[J]. 军民两用技术与产品，2010，（01）：4-6

[4]吴良义，罗兰，温晓蒙.热固性树脂基体复合材料的应用及其工业进展[J].热固性树脂，2008，23（增刊）：22-31endprint