郭巧榮，藺越國

（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津300300）

1 引言

“飛機結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂”是飛行器制造工程專業(yè)的一門專業(yè)限選課。在2016 版培養(yǎng)方案中，是飛機結(jié)構(gòu)強度課程組的一門重要的課程， 課程組里還有“飛機結(jié)構(gòu)與強度”“飛機結(jié)構(gòu)與適航”“結(jié)構(gòu)有限元應(yīng)用”“飛機結(jié)構(gòu)動力學(xué)”課程。隨著培養(yǎng)方案的制訂，根據(jù)教師意見、學(xué)生調(diào)查和企業(yè)調(diào)研結(jié)果對課程進行相應(yīng)調(diào)整。

2 課程現(xiàn)狀

2.1 課程作用與任務(wù)

本課程安排在專業(yè)基礎(chǔ)課之后的第6 學(xué)期。課程要求本專業(yè)學(xué)生必須完成理論力學(xué)、材料力學(xué)、航空材料與工藝等前續(xù)課程學(xué)習(xí)，為隨后的“飛機結(jié)構(gòu)損傷與修理”等專業(yè)課程學(xué)習(xí)提供理論基礎(chǔ)。課程的主要任務(wù)如下。

學(xué)習(xí)理解應(yīng)力疲勞理論、飛機疲勞載荷譜、載荷譜的基本分析方法、線性累積損傷理論、結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算和應(yīng)變疲勞理論。讓學(xué)生掌握線性彈性斷裂力學(xué)理論、平面應(yīng)變斷裂韌度測定方法、應(yīng)力強度因子的計算與測定方法、復(fù)合型斷裂判據(jù)、平面應(yīng)力斷裂問題、疲勞裂紋擴展規(guī)律、應(yīng)力腐蝕疲勞、細節(jié)疲勞額定強度法、現(xiàn)代抗疲勞設(shè)計方法和飛機結(jié)構(gòu)疲勞試驗等內(nèi)容。為學(xué)生將要學(xué)習(xí)的“飛機結(jié)構(gòu)損傷與修理”“企業(yè)實習(xí)”“畢業(yè)論文”以及畢業(yè)后從事飛機機務(wù)維修工作、安全技術(shù)及工程工作、相關(guān)的技術(shù)管理和研究工作奠定必要的專業(yè)理論基礎(chǔ)。

2.2 教學(xué)方法與教學(xué)手段

經(jīng)過多年教學(xué)實踐，課程組老師編制“飛機結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂”講義兩輪，并經(jīng)過審核修改后出版為具有民航特色的專業(yè)教材。在編制教材和教學(xué)過程中，不斷摸索與改革，制作了豐富的多媒體課件，并且剪輯了國家地理上播出的空難視頻，讓學(xué)生通過觀看視頻，明白疲勞與斷裂的重要性，提高教學(xué)效果。在理論推導(dǎo)部分，主要利用板書，例題部分鼓勵學(xué)生自己推導(dǎo)與練習(xí)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

2.3 考核方式

課程采取“平時成績+期末考試”的考核方法。平時成績主要考查學(xué)生出勤情況、作業(yè)完成情況、課堂回答情況等，占總成績的15%；期末考試采用閉卷筆試形式，綜合考核學(xué)生知識的掌握，占總成績的85%。

本課程在新版培養(yǎng)方案中建議增加兩個學(xué)時的課程設(shè)計，要求學(xué)生學(xué)會使用軟件仿真，解決實際工程問題，并對結(jié)果進行分析，這可以作為平時成績考核內(nèi)容，考察學(xué)生的動手能力和對知識的掌握情況。

3 課程建設(shè)改革與探索

3.1 教學(xué)實驗和實踐創(chuàng)新改革思考

本課程涉及材料及結(jié)構(gòu)的疲勞問題，單純的理論分析，對它們的抗疲勞和斷裂設(shè)計以及服役中結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂問題缺乏有力支撐。尤其是對結(jié)構(gòu)的疲勞現(xiàn)象缺乏定性和直觀了解，對影響疲勞實際條件的認識有一定的局限性，如果有疲勞實驗數(shù)據(jù)和分析的輔助，可以使學(xué)生對疲勞的微觀和宏觀都充分了解，并對斷裂力學(xué)中疲勞裂紋擴展有定量的分析和計算。目前，在研究生課程建設(shè)時，使用的英文教材《Fatigue of Structure and Materials》是一本為從事工程結(jié)構(gòu)和材料疲勞問題相關(guān)的設(shè)計、制造、載荷譜和試驗驗證人員編寫的教材，已被吳學(xué)仁教授等翻譯并在航空工業(yè)出版社出版，教材中引入原作者JAAP S 的荷蘭國家航空航天實驗室（NLR）和代爾夫特理工大學(xué)航空航天工程系的結(jié)構(gòu)，以及材料實驗室的大量真實實驗數(shù)據(jù)來例證疲勞中的基本概念和工程應(yīng)用問題，這些珍貴的實驗數(shù)據(jù)可以適當增加到本科教學(xué)中，深入淺出地引導(dǎo)學(xué)生客觀分析疲勞與斷裂問題。

在舊版教學(xué)大綱中，該課程沒有設(shè)置實驗課時，由于實驗資源匱乏，以往是讓學(xué)生去實驗室參觀，由實驗老師講解實驗設(shè)備，缺乏實際動手操作，并且疲勞力學(xué)和斷裂力學(xué)中有很多基于基本概念和知識的實驗，較少的課時不能讓學(xué)生全部掌握，建議在教學(xué)改革中，可以讓學(xué)生自行設(shè)計相關(guān)知識點的實驗，并輔以實驗設(shè)計報告，較成熟的實驗設(shè)計可以申請大創(chuàng)項目，豐富學(xué)生的疲勞力學(xué)和斷裂力學(xué)知識，提高實踐動手能力，并學(xué)以致用，開發(fā)的實驗項目用于教學(xué)，來提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

3.2 課程知識體系的完善

3.2.1 “主線”引導(dǎo)式課程知識體系建設(shè)

經(jīng)過多年對該課程的教學(xué)和對教材的重新編制，對于疲勞與斷裂的知識體系已充分了解，現(xiàn)有的知識點比較多且雜，有些知識必須讓學(xué)生了解，但是又很難獨立為一節(jié)，所以導(dǎo)致內(nèi)容比較散。因此，在課程講授時，應(yīng)該將主線貫穿其中，知識為主線服務(wù)，這樣比較連貫。

例如，在講疲勞力學(xué)時，在列出疲勞力學(xué)的基本知識后，應(yīng)該首先用常用的應(yīng)力法估算出疲勞壽命，并以綜合實例例題列出，然后帶著問題去講解疲勞載荷譜，包括飛機設(shè)計中常用的重心過載譜重點分析，這是飛機材料和結(jié)構(gòu)不同于其他載荷譜的地方。然后將過載譜如何轉(zhuǎn)化應(yīng)力譜，材料S-N曲線如何獲得，線性累積損傷理論如何估算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，這些問題被引出講解后，再將這個估算飛機機翼危險部位的疲勞壽命的綜合實例計算分析，以這一實例主線引導(dǎo)學(xué)生將知識點聯(lián)系起來，解決散沙式的教學(xué)模式。同樣，在斷裂力學(xué)可采用斷裂判據(jù)這一主線引導(dǎo)學(xué)生從應(yīng)力和能量分析的角度去學(xué)習(xí)新學(xué)科斷裂力學(xué)的基本知識，再深入講解如何估算疲勞裂紋擴展壽命。

3.2.2 增加纖維-金屬層板疲勞分析內(nèi)容

飛機結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了不同材料的變化，鋁合金的出現(xiàn)從根本上改變了結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，在20 世紀后半期，復(fù)合材料的發(fā)展又是飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計史上的重大變革，因為設(shè)計思想、制造工藝和材料性能方面，復(fù)合材料和鋁合金有著根本區(qū)別。過去傳統(tǒng)的疲勞與斷裂教材上涉及復(fù)合材料疲勞的知識較少，因為復(fù)合材料的疲勞現(xiàn)在仍是需要研究的重要課題，但是這部分內(nèi)容應(yīng)該作為飛機結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂教材中的一節(jié)內(nèi)容去講國際目前研究的前沿技術(shù)。

3.2.3 基于航空特色實例教學(xué)的教學(xué)方式改革

在教學(xué)過程中逐漸發(fā)現(xiàn)，對于基本知識，如果使用平鋪直敘的方式講授，學(xué)生特別容易淡忘，但是如果輔以具有航空特色的實例和圖片有利于學(xué)生掌握知識點。例如在講授疲勞破壞和靜力破壞的區(qū)別時，單純講述兩者區(qū)別，很難達到預(yù)期效果。在本學(xué)期課程講授中，將發(fā)生在直升機槳葉的同一個翼梁中的兩種斷裂方式進行對比講解，讓學(xué)生展開討論，達到了事半功倍效果。疲勞斷裂和靜載荷斷裂的差別如圖1所示。

圖1 疲勞斷裂和靜載荷斷裂的差別

例如講授疲勞條紋的間距問題時，單純講授應(yīng)力強度因子變程緊密相關(guān)，由于應(yīng)力強度因子的概念在疲勞力學(xué)中還未提出，學(xué)生不明所以，所以如何讓學(xué)生將間距和應(yīng)力聯(lián)系起來是個問題，可以使用圖2 所示的方法進行分析。圖2 揭示了鋁合金薄板宏觀裂紋擴展的疲勞條紋與載荷循環(huán)之間的對應(yīng)關(guān)系，基于航空特色的實際案例更有說服力。圖1 和圖2 都是英文圖示，這也是行業(yè)專業(yè)的特點。適當增加英文案例教學(xué)可以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也有利于知識的運用和掌握。

圖2 鋁合金薄板宏觀裂紋擴展的疲勞條紋與載荷循環(huán)之間的對應(yīng)關(guān)系

另外，該課程是“飛機結(jié)構(gòu)損傷與修理”的基礎(chǔ)理論和前續(xù)課程，實例列舉和損傷修理課程的結(jié)合，可以很好地將理論應(yīng)用于實際，更能提高學(xué)生理論應(yīng)用實踐的能力。

3.2.4 基于軟件仿真的課程設(shè)計改革

在新版培養(yǎng)方案中，對于結(jié)構(gòu)方向的課程設(shè)計來說，增加一部分課程設(shè)計考核可以提高專業(yè)能力。在涉及靜力學(xué)問題分析，例如在計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析時，可以運用有限軟件仿真計算。隨著有限元分析軟件的發(fā)展，有限元已經(jīng)成為飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的重要工具，至今幾乎沒有結(jié)構(gòu)工程師可以擺脫有限元法而完成結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。在“飛機結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂”課程中，同樣需要應(yīng)用有限元方法虛擬仿真并解決問題，例如在疲勞力學(xué)中講授理論應(yīng)力集中系數(shù)時，需要計算最大彈性應(yīng)力，在斷裂力學(xué)中計算裂紋尖端的應(yīng)力和位移，都可以使用有限元軟件仿真，增強學(xué)生處理工程實際問題能力，并且通過應(yīng)用計算力學(xué)可以增強學(xué)生不同失效模式下的設(shè)計控制能力，深入地認識了材料與結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋的擴展規(guī)律，提高抗疲勞和斷裂設(shè)計的能力。

4 小結(jié)

“飛機結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂”課程作為一門飛行器制造工程專業(yè)的專業(yè)選修課，是具有民航特色的一門重要課程。筆者這幾年來一直承擔該課程的教學(xué)任務(wù)，與課程組其他老師一起對課程進行開發(fā)和建設(shè)，包括相關(guān)視頻、動畫、案例、英文資料和PPT等教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于實踐。課程的建設(shè)們需要課程組老師具有奉獻精神，投入更多的精力[2]，筆者今后將繼續(xù)堅持教學(xué)改革和探索，腳踏實地，認真鉆研，為本課程的建設(shè)繼續(xù)努力，爭取早日建成精品課程。