“航空發動機強度與振動”教學改革的探索與思考

摘 要：“航空發動機強度與振動”是飛行器動力工程專業的核心課程之一，是提高學生的理論水平和工程應用的重要途徑。首先從知識結構、學生學習興趣點和任課教師的要求三個方面，分析了“航空發動機結構與強度”課程中的現狀；針對這些問題，分別從知識體系、教學手段和教師知識結構方向進行優化，重點分析了四種具體的教學手段；最后通過學生反饋的效果表明，本課程的改革是成功的。

關鍵詞：航空發動機 強度與振動 教學改革

發動機葉片、輪盤與軸是航空發動機中重要的零件，其工況的好壞直接關系到民用發動機性能的優劣和使用的安全。在實際使用中，由于轉子部件的破壞而造成發動機失效的例子屢見不鮮。因此在民用發動機設計和維修過程中，要對轉動部件進行細致的強度與振動分析計算。

中國民航大學是目前我國唯一一所民航學科專業門類齊全、將航空宇航科學技術與交通運輸工程兩大學科群交叉融合的高等學府[1，2]。飛行器動力工程專業的該校的核心專業之一。其本科學生的課程培養，主要包括“工程熱力學與氣體動力學”、“航空發動機工作原理”、“航空發動機控制”和“航空發動機結構”四大方向。而“航空發動機強度與振動”又是“航空發動機結構”的核心課程之一。“航空發動機強度與振動”是一個涵蓋多學科的、具有統一性的一門課程，先修課程包含高等數學、理論力學、材料力學、航空發動機原理和航空發動機構造等基礎知識和專業基礎知識，為后續航空發動機測試與試驗技術、航空發動機失效分析、航空發動機故障診斷等課程和本科畢業設計作傳接和鋪墊。通過該課程，培養學生的實際工程問題的能力。

由于“航空發動機強度與振動”課程具有理論深、學科交叉嚴重和工程應用強等特點，該課程的教學與改革一直是課程組的重要工作之一。由于實踐能夠調動學生的主觀能動性[3]，培養適合我國民航科技發展的人才[4]，本文針對中國民航大學“飛行器動力工程”專業的課程“航空發動機強度與振動”課程進行教學改革的討論與研究。

一、“航空發動機強度與振動”課程中存在的問題

1.理論課程抽象，知識交叉明顯

民航業是典型的技術密集型行業，而航空發動機又是該行業的核心，并且幾乎涵蓋了工程領域內最尖端的知識。在實際工程中，航空發動機的強度與振動主要有流體工質和固體結構組成。考慮到我國學生本科階段的知識培養情況，中國民航大學的“航空發動機強度與振動”中的“強度”方向立足于固體力學的靜力學知識，“振動”方向側重于動力學和運動學方面的知識。通過學習葉片、輪盤和聯接件的強度計算，葉片、盤和殼體的振動分析，發動機的振動與平衡等知識，使學生掌握發動機主要零件力學模型的建立和強度計算的方法，學會發動機主要零件的振動分析和整體振動分析的方法。

“航空發動機強度與振動”課程的主要內容包含為：

（1）葉片強度：葉片的工作條件模型化、離心拉伸應力、彎曲應力、氣動力、總應力的計算，影響葉片強度的因素，葉片的低周疲勞；

（2）輪盤強度：輪盤的工作條件、載荷類型和典型的故障類型，輪盤強度計算的基本公式，各種幾何形狀的輪盤強度計算，輪盤強度的基本公式，幾何形狀的輪盤強度計算，輪盤強度的近似計算方法，輪盤彈塑性狀態的強度問題，輪盤的許用應力；

（3）聯接零件的強度：渦輪軸的受力分析，軸的強度計算，花鍵的受力分析、強度計算，球形聯結器承壓驗算，聯接螺釘的強度計算；

（4）葉片振動：各種振型、彎曲振動、扭轉振動、復合振動等，截面葉片振動數學模型及其自振頻率，變截面葉片彎曲振動的各種分析方法，葉片扭轉及其他復雜振動，影響自振頻率的因素，振動應力分析方法、激振力分析、振動阻尼、顫振及其他振動，排除葉片振動故障方法；

（5）盤和發動機殼體振動：圓盤振動的各種振型、節徑、自振頻率、動波、殼體振動基本概念，自振頻率和消除殼體振動方法；

（6）發動機的轉動部件的振動與平衡：發動機轉子系統臨界轉速計算方法，軸質量對臨界轉速的影響，支承彈性的影響，陀螺力矩的影響，其他影響臨界轉速的因素。整機振動檢測與分析。發動機轉子靜平衡、動平衡方法。

從以上所屬課程內容可以看出：“航空發動機強度與振動”課程中涉及的知識點相當多，相互之間含有大量的定義和需要推導的公式，使得課程內容較為抽象。

以風扇葉片為例：由于風扇葉片包含有窄弦實心葉片、寬弦蜂窩葉片、寬弦空心葉片和復合材料葉片等多種結構，其強度與振動的知識就涉及到氣體動力學、彈性力學、有限元分析、疲勞與斷裂、復合材料力學等方面。這對于處于本科階段的學生來說，要求掌握較多的交叉知識。

2.學生學習難度大，理解難

由于“航空發動機強度與振動”課程內容的需要，本門課程一般放在本科第三年下半學期或第四年上半學期，此階段其他大部分課程都屬于描述性的課程，而“航空發動機強度與振動”設計中有較多的公式推導，整體顯得艱澀和枯燥。同時，教師對航空發動機的典型部件進行結構分析過程中，課堂的板書、教室的紀律等因素的影響，如果學生在學習的過程中，思想開了小差，必定會導致前后知識的銜接出現了問題，更加使得學生學習起來感覺難度大，學好本門課程難。

由于航空發動機的結構復雜性，大部分課程包含了固體力學中的解析解和半解析解，對于知識層次處于本科階段的學生來說，很難理解課程中相關內容。雖然從公式表面看，“航空發動機強度與振動”公式推導簡單，但是要求學生自己去分析實際工況的航空發動機零部件。學生往往無從下手。特別是當代航空發動機零部件的結構細節相差較大，要求學生獨立建立相關模型的時候，學生普遍反映比較困難。

3.課程對任課教師要求高

“航空發動機結構與強度”課程的內容由于其獨立性，要求任課教師有扎實的力學和實驗測試技術，同時不斷吸取國內外先進的航空發動機制造和維護技術。課程對任課教師的要求普遍較高。其原因為：

一方面，現階段國內的航空院校，主要教授的課程內容都是軍用航空發動機，由于軍用和民用航空發動機，在技術要求和工作環境上，還是有較大區別的：軍用發動機強調作戰性能和推力性能，而民用發動機則強調安全性和經濟性；另一方面，由于民用航空發動機的技術難度大，國外的科研機構對相關的知識一直處于保密狀態，任課教師在獲取最前沿的民用航空發動機的結構強度知識方面，一直都比較困難。

同時由于該課程內容抽象，如何吸引學生的學習興趣，加深學生對航空發動機的結構強度的認知上，也需要任課教師挖盡心思去琢磨不同的教法，盡可能的引導學生的學習主觀能動性。

二、解決“航空發動機強度與振動”課程不足的途徑

1.知識結構條理化

針對課程知識點結構交叉的特點，“航空發動機強度與振動”課程組在講授本課程的時候，將課程內容進行條理化。將課程中結構相近的零部件進行系統的學習。例如在講授風扇葉片的結構強度的同時，同時對比講解壓氣機葉片和渦輪葉片。并且對轉子葉片和靜子葉片，在受力分析的同時，也進行講解。在講授渦輪盤的強度分析同時，也講解壓氣機盤和風扇盤。讓學生學習壓氣機的動平衡時，同時學習渦輪的動平衡，以及整個轉動部件的動平衡。這樣，相近的知識結構進行歸納統一，讓學生在學習后續知識的同時，也在復習以前的相關知識。

2.多種教學手段教學，增加學生的主觀能動性

通過近四年的摸索，“航空發動機強度與振動”課程組探討了多種教學手段：

（1）優化教材內容，及時更新課件。現階段由于國內并沒有統一規劃的教材，課程組在系統學習國外發動機的設計制造廠的技術資料后，結合國內北航南航西工大三所高校的講義，編寫了適用于中國民用航空發動機的強度與振動的教材。同時積極參與國外民用航空發動機在國內的培訓部門的培訓，優化了“航空發動機強度與振動”的課程內容。

（2）加強課程設計的廣度，適量控制深度。“航空發動機強度與振動”課程設置了為期2周的課程設計，通過任課教師前期的指導，由學生個人或團隊完成課程設計。一般情況下，要求學生運用ANSYS、Fluent或Abqus等成熟的商業軟件，通過查閱航空發動機零部件的結構形式，材料性質等技術手冊，對發動機的零部件進行氣體動力學、傳熱學、疲勞與斷裂等分析。最后對分析的結構，采用Excel或Origin進行相關的圖文處理。這些工程軟件的熟悉，對學生以后的設計維修能力，空間想象能力和工程認知能力都有較大的提高。

（3）細化實驗課程，提高學生的動手能力。現階段，我校為“航空發動機強度與振動”課程更新了2個實驗室：零部件模態實驗室和轉子振動實驗室。新引入了高速轉子試驗臺，優化了針對葉片和輪盤的錘擊儀器，擴大了實驗室的設備臺數和用房。將學生由過去的實驗課時有2個增加到5個，同時嚴抓實驗報告的質量，以便提高學生的動手能力。

（4）通過實習提高學生的工程認知能力。在講授“航空發動機強度與振動”課程的同時，及時將學生引入民用飛機的駕駛艙，講授在駕駛艙的P2面板的顯示電子組件上，顯示發動機轉子結構的振動情況；同時在實習過程中，打開航空發動機的包皮，講解發動機銘牌上的N1配平原理。同時，任課教師在民航企業帶隊實習時，在發動機的裝配和維修車間，給學生講解常用的民航發動機風扇葉片對稱安裝的機理、發動機振動和配平機理，從而提高學生的認知能力。

3.優化教師的知識結構，完善教師團隊

現階段，“航空發動機強度與振動”課程組老師主要由國外留學歸來，或國內重點院校的博士講解該課程，為了優化教師的知識結構，課程組積極鼓勵大家進行學術交流研討，同時，派送任課教師去國外學習，去民用航空發動機制造商的培訓機構實習，去國內航空公司和維修部門學習調研，從各個方面優化課程的人才梯隊。

三、課程改革后實施的效果

通過2012年至2015年的改革和試驗，“航空發動機強度與振動”課程實施的效果良好，取得了階段性的成功。

（1）學生的出勤率和聽課效果良好。近4年，學生的出勤率由過去約75%上升到95%以上。坐在前排的同學普遍增加，學生反映良好。通過學生反饋給教師的評分系統中，好評率一直在95%以上。

（2）“航空發動機強度與振動”考試的及格率和優秀率有較大的提高。不及格率從2012年的10%下降至5%，甚至多次在隨堂測驗中，及格率達到100%。卷面成績中80以上者從2012年的10%上升至20%；

（3）畢業設計指導教師及用人單位普遍反映良好。由于后續課程很多是面向工程實際，通過畢業設計指導教師反映，學生初步掌握常用的工程分析軟件，做畢業設計和到工作單位，上手快。

結束語

工科大學教師是教師，同時也是工程師。作為中國民航大學飛行器動力工程專業的一名任課教師，擔負著未來國內民用航空發動機工程師的培養工作。如何更好的使得學生將理論和實踐結合起來，一直是“航空發動機強度與振動”課程組的重任。在教學過程中，積極調動和挖掘學生的學習主動性，從教學內容、課程設計、實驗課程和工程實踐中，為學生創造良好的學習條件，最終達到學生無論在理論上，還是在工程實際運用上，都有較好的提高。

參考文獻

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[3]張強，周裔彬，王乃富等.”糧油加工工藝”課程中機械設備教學方法的思考[J].農產品加工，2016，405：86-88.

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