航空发动机强度与振动教改探讨

胡晓安 丁相玉

摘要：本文分析了航空发动机强度与振动课程的特点，结合我国发动机自主设计研制对综合型人才的强烈需求背景，提出了课程教改措施。通过将授课内涵从传统以理论公式推导的分析模式，转变为以结构应力分析、结构优化、材料选材、减重以及强度准则为核心内涵的设计模式，从而培养学生多学科交叉思维。由于在授课过程中融入了现代航空发动机设计行业背景，并将解决问题作为突出导向，辅以专用和通用软件，使得死板的理论推导课提升为实用性、创新性、多学科性的综合讲解和实践，提高了课堂教学质量。

关键词：航空发动机；强度；教学；多媒体

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）48-0096-02

航空发动机强度与振动是飞行器动力工程专业必修课。该课程以转子叶片、轮盘、轴等旋转部件为主要研究对象，讲解转子叶片和轮盘的静强度和振动、盘-轴临界转速的计算方法。由于我国航空工业是在苏联的援建下逐步发展起来的，航空发动机强度与振动教材也沿用了苏联教材，如斯库巴切夫斯基编写的《航空燃气涡轮发动机零件结构与计算》[1]。改革开放以后，北航宋兆宏[2]和西工大吕文林[3]两位教师分别编写了教材，并投入使用至今。由于过去我国采用仿制仿研苏联发动机的思路，而这类教材较好地满足了二、三代航空发动机结构强度人才的培养需求，教材所涉及的方法和提供的程序，甚至可以直接用于对航空发动机零部件强度和振动的分析。

现代航空发动机结构紧凑，形状复杂，且与总体、传热、气动等多学科存在强非线性交叉，使得设计约束空间极为复杂，简单采用正向分析不可能达到设计要求。随着先进动力装置自主研制需求，传统上已设计好的结构分析不适应时代需求，迫切需要在人才培养环境上注重反设计和创新。为此，本教学团队在参与多项重大科研项目累积素材和案例的基础上，针对传统教学弊端，提出了综合题目设计、理论知识与专用/通用软件相结合以及工程问题启发的思路，对该课程的教学内容和模式进行了教学改革。

一、以设计题为牵引

传统上，教师利用板书或者多媒体进行教学，通过将发动机典型结构抽象为相对简单的模型，进行受力分析，完成强度和振动计算公式推导。以叶片强度分析为例，授课过程涉及发动机结构、叶轮机械、材料力学、理论力学等先修课程，难度很高，不利于学生对基础力学知识的深刻掌握。为此，在传统教学基础上，针对发动机强度与振动教授过程过于强调理论推导的教学方式，设计一些以实际问题为导向的综合题显得十分必要。

以轮盘强度为例，首先通过理论推导，使得学生掌握等厚轮盘径向应力和周向应力分布规律。由于实际轮盘形状较多，几乎不存在等厚盘，而以辐板形、双曲形、环形等结构形式存在，需要进行分段积分计算。为了简化计算过程，课程设计中加入了有限元计算方法，从而可以使学生能在掌握解析方法的基础上，对照数值模拟结果，增强解决问题的能力。同时，由于轮盘设计参数较多，有中心孔厚度和直径、盘外缘直径、辐板厚度、倒角等特征，所设计的综合题目需要利用本课堂传统理论知识和其他学科知识进行轮盘设计。为此，我们设计了“航空发动机涡轮盘强度设计”综合题进行专题授课，包含以下步骤：（1）轮盘总体参数确定方法，与航空发动机整机性能、结构布局相关。例如，盘缘切向速度决定了发动机做功能力，但又与轮盘整体应力水平密切相关。（2）轮盘结构设计中，存在多个影响强度的关键结构参数。为此，设计了采用有限元分析不同中心孔直径、厚度、辐板厚度等多个参数对轮盘应力水平和重量的影响，让学生自主设计目标函数，包含应力、安全系数、重量等权重的综合考虑，给出分析结果，发挥主观能动性。（3）复杂结构设计中对材料的选择，是我国高等工科教育的薄弱环节。对于航空发动机，通常仿制过程中已获知了结构材料，不需要工程人员进行材料选择。由于对材料性能的掌握不足，使得对材料综合性能要求十分严格的航空发动机结构设计中，所培养的工程人员经常不能合理选择材料。为此，在发动机涡轮盘强度设计综合专题，评述不同温度、载荷下对不同材料性能的指标要求。

通过以上教学环境的改进，逐步把传统分析为主的教学模式转变为将强度分析过程仅作为设计的重要一环，紧密结合工程实践需要，将教学过程拓展为包含结构总体和局部设计、材料选择、应力分析、强度评价等诸多设计环节模式，以“设计”取代传统“分析”作为教学驱动力。

二、理论知识与专业软件/通用软件相结合

航空发动机强度与振动涉及公式繁杂，尤其对于变截面零件，通常需要数值积分才能求解。随着有限元软件的广泛普及，将商用有限元软件作为重要工具，是培养新时代工程师的必然选择。因此，在教授理论知识的同时，注重使用有限元与课堂实例的结合，使学生感受到计算机辅助设计的魅力。

此外，单靠课堂上的理论公式推导以及案例讲解难以引起学习兴趣，利用所学知识对发动机转子零件几何外形、载荷等参数进行设计目标的影响规律分析显得尤其重要。我们借鉴了美国辛辛那提大学专门为发动机结构优化教学开发设计的Taxi-Disc和Taxi-blade等教学软件。以轮盘强度为例，通过该软件，预设轮盘基本几何约束条件、应力准则，可以设计并优化不同目标时的轮盘外形，提高学生的学习热情和课堂参与度。

三、工程问题启发式教学

航空发动机结构强度与振动对象极为复杂，力学基础要求很高，公式推导繁复，采用传统教学模式，教授过程十分枯燥乏味。学生不能从所学知识中体会到解决问题的快乐，更多的是一种应付考试的心态，达不到用心学习的目的。解决这一问题的核心，就是要设置更多的启发式问题。为此，收集了一些国内外发生的事故案例，并与发动机设计所、维修厂等进行沟通，寻找发动机典型结构件在设计过程中考虑的因素以及服役过程中存在的关键问题，突出从已经发生的惨痛飞行教训中引导学生思考。例如，在进行轮盘强度教学时，以美国1989年苏城空难发生的轮盘微小缺陷引起的事故進行提问教学，综合运用所学知识，从缺陷位置、应力水平估计、材料微缺陷、疲劳性能等多个方面入手，达到提高学习兴趣的目的。又如，利用工厂提供的含掉角的故障叶片，引导学生分析叶片振动模态，增加学生解决实际问题的满足感和成就感，体会学习乐趣的同时，提高学生的综合素质和解决问题的能力。

四、小結与建议

航空发动机结构强度与振动是一门理论性、实践性、综合性都很强的专业课程。随着国家对航空发动机设计自主研制的迫切需求，采用传统教学方法不能满足综合性、高素质人才培养的需要，提出课程教改措施势在必行。因此，我们提出要将传统枯燥乏味的推导、已有简化结构分析为主的教学模式，转变为融合传统分析的同时更加注重学生对结构总体布局、细节尺寸设计要求、结构应力分析、优化与减重、材料选择等诸多方面均贯彻启发式的强度与振动理念，并辅以专用或通用软件进行航空发动机结构的强度振动分析对比和设计，达到实用型、综合型、创新型的人才培养目标。

参考文献：

[1]斯库巴切夫斯基.航空燃气涡轮发动机零件结构与计算[M].国防工业出版社，1992.

[2]宋兆宏.发动机强度与振动[M].内部，1988.

[3]吕文林.航空发动机强度计算[M].国防工业出版社，1988.

Abstract：The features of the course of aero-engine strength and vibration are analyzed. Based on the background of autonomous design of engines，teaching reform measures for the course has been proposed. Through the transition of teaching model from traditional theoretical formula leading to design driven including structure stress analysis，structure optimization，material selection，weight loss and strength criterion，the students' interdisciplinary thinking has been cultivated. Because modern aero engine design background is integrated during the teaching procedure，and the solution of the problem is treated as a prominent orientation supplemented by special and universal software，the rigid theoretical deduction course has been promoted to a comprehensive explanation and practice of practical，innovative and multidisciplinary. The quality of teaching class has been improved.

Key words：aero-engine；strength；teaching；multimedia