復合材料熱壓罐成型工藝虛擬仿真實驗設計

楊金水 尹昌平 陳丁丁 邢素麗 鞠蘇

[摘 要] 為了解決復合材料熱壓罐成型工藝實驗高危、低效、高成本的難題，提高實驗的交互性、實用性和覆蓋面，利用Unity 3D、3D Studio Max和Maya等軟件設計開發了復合材料熱壓罐成型工藝虛擬仿真實驗，并依托于開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺開放運行，將高危低效的熱壓罐成型實物實驗教學轉換為無危高效的虛擬仿真實驗教學。設計相關學科知識點的交互性操作，通過交互性操作，增加學生的參與感和掌握相關的知識點，同時實現學生實驗操作的全覆蓋和實驗結果的實時在線評價反饋，提高實驗教學效率和質量。

[關鍵詞] 復合材料;熱壓罐成型工藝;虛擬仿真實驗

[教改課題] 2019年度國防科技大學院級教改課題“虛擬仿真實驗項目助力材料學科課程教學的探索與實踐”;2019年度湖南省學位與研究生教育改革研究項目“基于創新能力培養的復合材料研究生專業課混合式教學改革探索實踐”（yjsy2019029）;2021年度國防科技大學研究生精品課程培育項目“復合材料制備與加工技術”

[作者簡介] 楊金水（1982—），男，云南耿馬人，博士，國防科技大學空天科學學院副教授，主要從事聚合物基復合材料研究。

[中圖分類號] G642.423 [文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2022）10-0132-05[收稿日期] 2021-06-24

先進復合材料具有輕質高強、性能可設計、材料與構件一體等優異特性，廣泛應用于航空航天裝備領域[1]。復合材料的最終性能與使用效能，取決于原材料和成型制備技術。為滿足高纖維體積分數、高性能均勻性和高穩定性的“三高”要求，熱壓罐成型工藝[2-4]已成為航空航天復合材料制備的首選技術。因其重要性，該工藝基本上已納入各高校復合材料專業學生必修的重點知識體系。

熱壓罐成型工藝原理示意圖如圖1所示，其基本原理是在特定模具上根據預先設計好的鋪層方式鋪設預浸料、制備預成型體，然后采用柔性真空袋膜對預成型體進行封裝處理，抽真空檢查氣密性，保持真空負壓條件下在熱壓罐中的高溫高壓環境中進行固化定型，最后冷卻、脫模、后處理得到所需先進復合材料構件。該工藝具有高溫高壓、溫壓均勻和性能穩定的特點，能夠很好地滿足航空航天制品的“三高”要求。但高溫高壓、均勻穩定帶來的問題是高能耗、高危險、設備昂貴和運行維護成本高，導致高校難以配備或即使配備也難以有效開展實驗教學。

為有效開展復合材料專業熱壓罐成型工藝實驗教學，本教學團隊基于熱壓罐成型工藝基本原理，利用Unity 3D、3D Studio Max和Maya等軟件設計開發復合材料熱壓罐成型工藝虛擬仿真實驗，依托于開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺開放運行，將高危低效的熱壓罐成型實物實驗教學轉換為無危高效的虛擬仿真實驗教學[5]，同時實現學生實驗操作的全覆蓋和實驗結果的實時在線評價反饋，提高實驗教學效率和質量。

一、虛擬仿真實驗設計

（一）實驗目的

復合材料專業課程體系主要包括“復合材料學”“復合材料結構設計原理”“復合材料成型制備技術”和“復合材料性能測試與表征”等課程，基本構成一個完整的材料科學與工程四面體。熱壓罐成型工藝是“復合材料成型制備技術”課程的核心內容，也是其中的重難點。

熱壓罐成型工藝虛擬仿真實驗的目的是：通過仿真實驗使學生了解復合材料的特點，掌握復合材料熱壓罐成型工藝的基本原理和操作流程，深刻理解該工藝的重難點，清晰認識該工藝在復合材料部件制備中的應用范圍。

（二）實驗基本原理

虛擬仿真實驗基于熱壓罐成型工藝的基本原理（圖1），設計時，對關鍵影響因素進行重點仿真，主要包括以下四個方面。

1.模具表面清理。模具剛度、硬度、外形和氣密性等要滿足熱壓罐成型的基本要求，模具表面清理，確保光滑平整無污漬，然后模具表面涂抹高溫脫模劑或直接鋪設聚四氟乙烯薄膜，保證復合材料制品能夠順利脫模。

2.輔助材料鋪放順序。熱壓罐成型工藝輔助材料的鋪放順序不能顛倒，否則會導致制備失敗。正確的鋪放順序是在處理好的模具上依次鋪設預浸料、脫模布、透氣氈、真空底座、真空袋膜，詳見熱壓罐成型預成型體封裝原理示意圖2。

3.真空袋膜封裝和氣密性檢查。預浸料預成型體需要高溫密封膠帶和真空袋膜進行封裝，恰當布置膠帶的打折處理。抽真空后需檢查其密封性，確保真空度達到技術要求。

4.固化制度確定和熱壓罐操作。通過預浸料用樹脂體系的DSC曲線（圖3）和固化特征溫度，采用外推法，選定正確的預固化、固化和后固化溫度以及對應的加壓制度。正確完成熱壓罐的各項操作。

（三）實驗總體構架

虛擬仿真實驗項目運行的支撐平臺及項目運行的架構，共分為數據層、支撐層、通用服務層、仿真層和應用層等5個，每一層都為其上層提供服務，直到完成具體虛擬實驗教學環境的構建。

1.數據層。熱壓罐成型工藝虛擬仿真實驗項目涉及多種類型虛擬實驗組件及數據，這里分別設置虛擬實驗的基礎元件庫、實驗課程庫、典型實驗庫、標準答案庫、規則庫、實驗數據、用戶信息等來實現對相應數據的存放和管理。

2.支撐層。支撐層是虛擬仿真實驗教學與開放共享平臺的核心框架，是實驗項目正常開放運行的基礎，負責整個基礎系統的運行、維護和管理。支撐平臺包括以下幾個功能子系統：安全管理、服務容器、數據管理、資源管理與監控、域管理、域間信息服務等。

3.通用服務層。通用服務層即開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺，提供虛擬實驗教學環境的一些通用支持組件，以便用戶能夠快速在虛擬實驗環境完成虛擬仿真實驗。通用服務包括：實驗教務管理、實驗教學管理、理論知識學習、實驗資源管理、智能指導、互動交流、實驗結果自動批改、實驗報告管理、教學效果評、項目開放與共等，同時提供相應集成接口工具，以便該平臺能夠方便集成第三方的虛擬實驗軟件進入統一管理。

4.仿真層。仿真層主要針對該項目進行相應的器材建模、實驗場景構建、虛擬儀器開發、提供通用的仿真器，最后為上層提供實驗結果數據的格式化輸出。

5.應用層。基于底層的服務，最終熱壓罐成型工藝仿真實驗項目教學與開放共享。該框架的應用層具有良好的擴展性，實驗教師可根據教學需要，利用服務層提供的各種工具和仿真層提供的相應的器材模型，設計各種典型實驗實例，最后面向學校開展實驗教學應用。

（四）實驗虛擬仿真度

為了使學生直觀的了解實驗設備、實驗對象及其他實驗要素，虛擬實驗依照“實物”高精準建立相關模型，例如核心實驗設備熱壓罐，實物如圖4（a），虛擬模型如圖4（b），虛擬模型高度精度還原實驗設備。

二、實驗方法與實驗步驟

（一）實驗方法

熱壓罐成型工藝虛擬仿真實驗設計了學習版（學習模式）和考核版（考核模式）兩種模式。學習模式，學生根據提示逐步點擊“確認”就能完成實驗操作，同時設置演示視頻、圖文講解、信息鏈接等，學生可以方便地學習熱壓罐成型工藝基本原理、技術特點和實驗步驟。

學生可以選擇先完成學習模式的實驗，也可以直接進行考核模式的實驗。考核模式實驗步驟的設置與學習模式相同，不同的是：沒有操作提示，輸入條件更新、輸入參數需要學生自行確定，實驗操作錯誤需要學生自行更正，參數確定沒有講解，但設置關聯知識鏈接，點擊可查看。基本操作是：鼠標點擊和數據輸入操作。遇到錯誤操作時分兩種情況：一種為“不可進行性錯誤”，這種情況下必須操作正確才能進行下一步。后臺記錄操作錯誤的次數。另一種為“允許性錯誤”，這種情況下當前實驗操作可繼續進行，但后續操作可能無法進行或得到錯誤實驗結果;允許學生返回糾正，但會扣分。

（二）實驗步驟

熱壓罐成型復合材料構件的實驗步驟主要包括實驗準備、預成型體制備、開蓋、進罐抽真空、合蓋、設置溫度壓力、加熱加壓固化、冷卻、開蓋取樣、脫模檢測等，如圖5所示。實驗步驟中設計相關的交互性操作，考核各步驟的關鍵知識點。

第一步，實驗準備。首先是檢查熱壓罐系統的完好性，包括加壓/卸壓系統、罐體系統、控制系統、加熱/冷卻系統和真空系統（見圖1），確定設備完好、可開展實驗。設置設備檢查和安全確認兩個交互性操作，培養學生檢查和維護設備的良好習慣，增強安全防護意識。然后設置模具處理和選擇材料的相關交互性操作，考核學生模具清理、噴涂脫模劑、選擇原材料和工藝輔助材料等知識點。

第二步，預成型體制備。采用熱壓罐制備復合材料構件，所用原材料一般是纖維預浸料，在進熱壓罐前，通常先在成型模具上鋪放制備成預成型體，并采用柔性真空袋膜和密封膠帶封裝，封裝原理示意見圖2。設置鋪層順序和封裝次序的交互性操作，考核學生對該知識點的掌握情況。

第三步，開蓋、進罐抽真空、合蓋。實驗操作步驟包括熱壓罐開蓋、預成型體及模具進熱壓罐、成型模腔連接真空系統并抽真空、合蓋等四大步驟，依次按順序完成。真空度直接影響復合材料制品的纖維體積分數，進而影響構件的力學性能，是關鍵影響因素，設置交互性操作，考核真空度影響的知識點。

第四步，設置溫度壓力、加熱加壓固化和冷卻。實驗操作步驟包括設置固化溫度和固化壓力、加熱加壓固化、卸壓冷卻等三大步驟，固化溫度和壓力是兩大關鍵工藝參數，固化制度確定主要確定就是這兩大參數。固化溫度包括預固化、固化和后固化溫度，取決于復合材料樹脂基體的固化反應機理和動力學;固化壓力則主要影響制品纖維體積分數，可依據成型壓力與纖維體積分數關聯關系方程式計算。設置固化制度確定的交互性操作，考核固化反應動力學、固化反應機理和成型壓力的影響規律。

第五步，開蓋取樣、脫模檢測。開蓋取樣和脫模檢測屬于熱壓罐的常規操作，但脫模檢測是所有復合材料成型工藝的通用步驟，通過該工藝脫模檢測步驟的學習可了解其他成型工藝的脫模檢測步驟，設置纖維體積分數檢測、外觀檢測、固化度檢測等交互性操作。

每個實驗步驟在下拉菜單中都設置有相關知識點介紹和講解鏈接，學生可以方便學習相關知識點。

三、實驗教學

（一）教學方法

教學過程可分為三個部分：第一部分，教師在實驗開始前發布線上課程資源，學生完成實驗預習和自測;課堂開始后，教師對實驗重點、難點和自測錯誤率較高的知識點進行重點講解;然后教師組織課堂口試，評估學生能否上機進行實驗操作，確認后安排上機實驗操作;此部分不計分。第二部分，學生上機進行實驗操作，此部分設計實驗操作與結果考核，由系統（機器）判分。第三部分，教師就學生實驗情況進行簡單講評，此部分由教師判分。

為了提升學生的學習效果，充分利用虛擬仿真的特點，發揮學生實驗過程中的主觀能動性，實驗中允許學生發生錯誤，系統會根據錯誤內容輸出最后的錯誤結果;要求學生在錯誤結果的基礎上做出分析，判斷實驗過程中錯誤發生的環節并加以修正，系統及時反饋修正后的輸出，如此反復直至獲得理想結果。

（二）實驗考核

本虛擬仿真實驗針對實驗結果和實驗過程進行綜合評定，考查學生掌握知識以及分析和解決問題的能力。首先，學生未完成實驗或最終的實驗結果錯誤，則直接判為不及格。然后，完成實驗且實驗結果正確的前提下，最終分數由操作得分和實驗報告得分構成。操作得分（百分制）占總分的90%，由機器直接判讀;實驗報告得分（百分制）占總分的10%，由授課教師評價。

操作等分根據實驗步驟和交互性操作設計的分數，統計學生的最終得分，同時統計學生的操作情況，反饋給學生，提高學習的效果。例如學生選擇工藝輔助材料錯誤，系統會記錄下學生首次選擇的輔助材料，結果反饋給學生，學生通過與正確選擇對比，認識到自己對該知識點掌握的缺失。

實驗報告等分則根據學生填寫的實驗報告進行計分，培養學生總結和分析的能力。最終考核結果會記錄下來，可作為相關課程的平時成績或平時成績的部分，例如本校研究生課程“復合材料制備與加工技術”就采用本虛擬仿真實驗的學習成績作為課程的平時成績。

結語

本實驗基于復合材料熱壓罐成型工藝基本原理，結合科研過程積累的案例和材料性能數據，設計復合材料熱壓罐成型工藝虛擬仿真實驗，實現了高溫高壓高危熱壓罐成型實驗的在線虛擬仿真實驗教學，降低了實驗的成本與風險。而且可以方便地實現人人操作、直觀理解實驗基本原理，同時設計相關學科知識點的交互性操作。通過交互性操作，增加學生的參與感和掌握相關的知識點，提高實驗教學的效率和質量。

參考文獻

[1]蔡菊生.先進復合材料在航空航天領域的應用[J].合成材料老化與應用，2018，47（6）：94-97.

[2]魯成旺.復合材料構件熱壓罐成型工藝參數設計及優化[D].杭州：浙江大學，2018.

[3]李艷霞.先進復合材料熱壓罐成型固化仿真技術研究進展[J].航空制造技術，2016（15）：76-81+86.

[4]李艷霞，顧軼卓，李敏，等.復合材料固化工藝評價與優化虛擬仿真實驗[J].實驗技術與管理，2019，36（12）：170-173.

[5]陳濤，范林坤.汽車運輸安全虛擬仿真實驗設計[J].實驗技術與管理，2020，37（3）：129-132.

Design on Virtual Simulation Experiment for Composite Hot-air Autoclave Process

YANG Jin-shui， YIN Chang-ping， CHEN Ding-ding， XING Su-li， JU Su

（College of Aerospace Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract： In order to solve the composite autoclave process experiment of high-risk， inefficient and high-cost， and to improve the interactivity， practicability and coverage， the virtual simulation experiment of composite autoclave molding process is designed and developed by using Unity 3D， 3D studio Max and Maya software. Based on the open virtual simulation teaching management platform， the high-risk and low-efficiency autoclave physical experiment teaching is transformed into the no-risk and high-efficiency virtual simulation experiment teaching. Interactive operation of knowledge points of related disciplines is designed to increase students sense of participation and master relevant knowledge points. Meanwhile， full coverage of experimental operation and real-time online evaluation feedback of experimental structure are realized to improve the efficiency and quality of experimental teaching.

Key words： composite materials; hot-air autoclave; virtual simulation experiment