“飛機結構疲勞與斷裂”課程建設的改革與探索＊

郭巧榮，藺越國

（中國民航大學航空工程學院，天津300300）

1 引言

“飛機結構疲勞與斷裂”是飛行器制造工程專業的一門專業限選課。在2016 版培養方案中，是飛機結構強度課程組的一門重要的課程， 課程組里還有“飛機結構與強度”“飛機結構與適航”“結構有限元應用”“飛機結構動力學”課程。隨著培養方案的制訂，根據教師意見、學生調查和企業調研結果對課程進行相應調整。

2 課程現狀

2.1 課程作用與任務

本課程安排在專業基礎課之后的第6 學期。課程要求本專業學生必須完成理論力學、材料力學、航空材料與工藝等前續課程學習，為隨后的“飛機結構損傷與修理”等專業課程學習提供理論基礎。課程的主要任務如下。

學習理解應力疲勞理論、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、結構疲勞壽命估算和應變疲勞理論。讓學生掌握線性彈性斷裂力學理論、平面應變斷裂韌度測定方法、應力強度因子的計算與測定方法、復合型斷裂判據、平面應力斷裂問題、疲勞裂紋擴展規律、應力腐蝕疲勞、細節疲勞額定強度法、現代抗疲勞設計方法和飛機結構疲勞試驗等內容。為學生將要學習的“飛機結構損傷與修理”“企業實習”“畢業論文”以及畢業后從事飛機機務維修工作、安全技術及工程工作、相關的技術管理和研究工作奠定必要的專業理論基礎。

2.2 教學方法與教學手段

經過多年教學實踐，課程組老師編制“飛機結構疲勞與斷裂”講義兩輪，并經過審核修改后出版為具有民航特色的專業教材。在編制教材和教學過程中，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，讓學生通過觀看視頻，明白疲勞與斷裂的重要性，提高教學效果。在理論推導部分，主要利用板書，例題部分鼓勵學生自己推導與練習，提高學生自主學習的積極性。

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生出勤情況、作業完成情況、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，綜合考核學生知識的掌握，占總成績的85%。

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

3 課程建設改革與探索

3.1 教學實驗和實踐創新改革思考

本課程涉及材料及結構的疲勞問題，單純的理論分析，對它們的抗疲勞和斷裂設計以及服役中結構的疲勞斷裂問題缺乏有力支撐。尤其是對結構的疲勞現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，如果有疲勞實驗數據和分析的輔助，可以使學生對疲勞的微觀和宏觀都充分了解，并對斷裂力學中疲勞裂紋擴展有定量的分析和計算。目前，在研究生課程建設時，使用的英文教材《Fatigue of Structure and Materials》是一本為從事工程結構和材料疲勞問題相關的設計、制造、載荷譜和試驗驗證人員編寫的教材，已被吳學仁教授等翻譯并在航空工業出版社出版，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航空航天工程系的結構，以及材料實驗室的大量真實實驗數據來例證疲勞中的基本概念和工程應用問題，這些珍貴的實驗數據可以適當增加到本科教學中，深入淺出地引導學生客觀分析疲勞與斷裂問題。

在舊版教學大綱中，該課程沒有設置實驗課時，由于實驗資源匱乏，以往是讓學生去實驗室參觀，由實驗老師講解實驗設備，缺乏實際動手操作，并且疲勞力學和斷裂力學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生全部掌握，建議在教學改革中，可以讓學生自行設計相關知識點的實驗，并輔以實驗設計報告，較成熟的實驗設計可以申請大創項目，豐富學生的疲勞力學和斷裂力學知識，提高實踐動手能力，并學以致用，開發的實驗項目用于教學，來提高實驗教學質量。

3.2 課程知識體系的完善

3.2.1 “主線”引導式課程知識體系建設

經過多年對該課程的教學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，現有的知識點比較多且雜，有些知識必須讓學生了解，但是又很難獨立為一節，所以導致內容比較散。因此，在課程講授時，應該將主線貫穿其中，知識為主線服務，這樣比較連貫。

例如，在講疲勞力學時，在列出疲勞力學的基本知識后，應該首先用常用的應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，包括飛機設計中常用的重心過載譜重點分析，這是飛機材料和結構不同于其他載荷譜的地方。然后將過載譜如何轉化應力譜，材料S-N曲線如何獲得，線性累積損傷理論如何估算結構的疲勞壽命，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學生將知識點聯系起來，解決散沙式的教學模式。同樣，在斷裂力學可采用斷裂判據這一主線引導學生從應力和能量分析的角度去學習新學科斷裂力學的基本知識，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容

飛機結構經歷了不同材料的變化，鋁合金的出現從根本上改變了結構設計思想，在20 世紀后半期，復合材料的發展又是飛機結構設計史上的重大變革，因為設計思想、制造工藝和材料性能方面，復合材料和鋁合金有著根本區別。過去傳統的疲勞與斷裂教材上涉及復合材料疲勞的知識較少，因為復合材料的疲勞現在仍是需要研究的重要課題，但是這部分內容應該作為飛機結構疲勞與斷裂教材中的一節內容去講國際目前研究的前沿技術。

3.2.3 基于航空特色實例教學的教學方式改革

在教學過程中逐漸發現，對于基本知識，如果使用平鋪直敘的方式講授，學生特別容易淡忘，但是如果輔以具有航空特色的實例和圖片有利于學生掌握知識點。例如在講授疲勞破壞和靜力破壞的區別時，單純講述兩者區別，很難達到預期效果。在本學期課程講授中，將發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，單純講授應力強度因子變程緊密相關，由于應力強度因子的概念在疲勞力學中還未提出，學生不明所以，所以如何讓學生將間距和應力聯系起來是個問題，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之間的對應關系，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，這也是行業專業的特點。適當增加英文案例教學可以增加學生的學習興趣，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之間的對應關系

另外，該課程是“飛機結構損傷與修理”的基礎理論和前續課程，實例列舉和損傷修理課程的結合，可以很好地將理論應用于實際，更能提高學生理論應用實踐的能力。

3.2.4 基于軟件仿真的課程設計改革

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

4 小結

“飛機結構疲勞與斷裂”課程作為一門飛行器制造工程專業的專業選修課，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任務，與課程組其他老師一起對課程進行開發和建設，包括相關視頻、動畫、案例、英文資料和PPT等教學資源，引導學生將所學知識應用于實踐。課程的建設們需要課程組老師具有奉獻精神，投入更多的精力[2]，筆者今后將繼續堅持教學改革和探索，腳踏實地，認真鉆研，為本課程的建設繼續努力，爭取早日建成精品課程。