導(dǎo)語：航空發(fā)動機強度與振動教改探析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：本文分析了航空發(fā)動機強度與振動課程的特點，結(jié)合我國發(fā)動機自主設(shè)計研制對綜合型人才的強烈需求背景，提出了課程教改措施。通過將授課內(nèi)涵從傳統(tǒng)以理論公式推導(dǎo)的分析模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐越Y(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料選材、減重以及強度準則為核心內(nèi)涵的設(shè)計模式，從而培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科交叉思維。由于在授課過程中融入了現(xiàn)代航空發(fā)動機設(shè)計行業(yè)背景，并將解決問題作為突出導(dǎo)向，輔以專用和通用軟件，使得死板的理論推導(dǎo)課提升為實用性、創(chuàng)新性、多學(xué)科性的綜合講解和實踐，提高了課堂教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；強度；教學(xué)；多媒體

一、以設(shè)計題為牽引

傳統(tǒng)上，教師利用板書或者多媒體進行教學(xué)，通過將發(fā)動機典型結(jié)構(gòu)抽象為相對簡單的模型，進行受力分析，完成強度和振動計算公式推導(dǎo)。以葉片強度分析為例，授課過程涉及發(fā)動機結(jié)構(gòu)、葉輪機械、材料力學(xué)、理論力學(xué)等先修課程，難度很高，不利于學(xué)生對基礎(chǔ)力學(xué)知識的深刻掌握。為此，在傳統(tǒng)教學(xué)基礎(chǔ)上，針對發(fā)動機強度與振動教授過程過于強調(diào)理論推導(dǎo)的教學(xué)方式，設(shè)計一些以實際問題為導(dǎo)向的綜合題顯得十分必要。以輪盤強度為例，首先通過理論推導(dǎo)，使得學(xué)生掌握等厚輪盤徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力分布規(guī)律。由于實際輪盤形狀較多，幾乎不存在等厚盤，而以輻板形、雙曲形、環(huán)形等結(jié)構(gòu)形式存在，需要進行分段積分計算。為了簡化計算過程，課程設(shè)計中加入了有限元計算方法，從而可以使學(xué)生能在掌握解析方法的基礎(chǔ)上，對照數(shù)值模擬結(jié)果，增強解決問題的能力。同時，由于輪盤設(shè)計參數(shù)較多，有中心孔厚度和直徑、盤外緣直徑、輻板厚度、倒角等特征，所設(shè)計的綜合題目需要利用本課堂傳統(tǒng)理論知識和其他學(xué)科知識進行輪盤設(shè)計。為此，我們設(shè)計了“航空發(fā)動機渦輪盤強度設(shè)計”綜合題進行專題授課，包含以下步驟：

（1）輪盤總體參數(shù)確定方法，與航空發(fā)動機整機性能、結(jié)構(gòu)布局相關(guān)。例如，盤緣切向速度決定了發(fā)動機做功能力，但又與輪盤整體應(yīng)力水平密切相關(guān)。

（2）輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計中，存在多個影響強度的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。為此，設(shè)計了采用有限元分析不同中心孔直徑、厚度、輻板厚度等多個參數(shù)對輪盤應(yīng)力水平和重量的影響，讓學(xué)生自主設(shè)計目標函數(shù)，包含應(yīng)力、安全系數(shù)、重量等權(quán)重的綜合考慮，給出分析結(jié)果，發(fā)揮主觀能動性。

（3）復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計中對材料的選擇，是我國高等工科教育的薄弱環(huán)節(jié)。對于航空發(fā)動機，通常仿制過程中已獲知了結(jié)構(gòu)材料，不需要工程人員進行材料選擇。由于對材料性能的掌握不足，使得對材料綜合性能要求十分嚴格的航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，所培養(yǎng)的工程人員經(jīng)常不能合理選擇材料。為此，在發(fā)動機渦輪盤強度設(shè)計綜合專題，評述不同溫度、載荷下對不同材料性能的指標要求。通過以上教學(xué)環(huán)境的改進，逐步把傳統(tǒng)分析為主的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)閷姸确治鲞^程僅作為設(shè)計的重要一環(huán)，緊密結(jié)合工程實踐需要，將教學(xué)過程拓展為包含結(jié)構(gòu)總體和局部設(shè)計、材料選擇、應(yīng)力分析、強度評價等諸多設(shè)計環(huán)節(jié)模式，以“設(shè)計”取代傳統(tǒng)“分析”作為教學(xué)驅(qū)動力。

二、理論知識與專業(yè)軟件/通用軟件相結(jié)合

航空發(fā)動機強度與振動涉及公式繁雜，尤其對于變截面零件，通常需要數(shù)值積分才能求解。隨著有限元軟件的廣泛普及，將商用有限元軟件作為重要工具，是培養(yǎng)新時代工程師的必然選擇。因此，在教授理論知識的同時，注重使用有限元與課堂實例的結(jié)合，使學(xué)生感受到計算機輔助設(shè)計的魅力。此外，單靠課堂上的理論公式推導(dǎo)以及案例講解難以引起學(xué)習興趣，利用所學(xué)知識對發(fā)動機轉(zhuǎn)子零件幾何外形、載荷等參數(shù)進行設(shè)計目標的影響規(guī)律分析顯得尤其重要。我們借鑒了美國辛辛那提大學(xué)專門為發(fā)動機結(jié)構(gòu)優(yōu)化教學(xué)開發(fā)設(shè)計的Taxi-Disc和Tax-i-blade等教學(xué)軟件。以輪盤強度為例，通過該軟件，預(yù)設(shè)輪盤基本幾何約束條件、應(yīng)力準則，可以設(shè)計并優(yōu)化不同目標時的輪盤外形，提高學(xué)生的學(xué)習熱情和課堂參與度。

三、工程問題啟發(fā)式教學(xué)

航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度與振動對象極為復(fù)雜，力學(xué)基礎(chǔ)要求很高，公式推導(dǎo)繁復(fù)，采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，教授過程十分枯燥乏味。學(xué)生不能從所學(xué)知識中體會到解決問題的快樂，更多的是一種應(yīng)付考試的心態(tài)，達不到用心學(xué)習的目的。解決這一問題的核心，就是要設(shè)置更多的啟發(fā)式問題。為此，收集了一些國內(nèi)外發(fā)生的事故案例，并與發(fā)動機設(shè)計所、維修廠等進行溝通，尋找發(fā)動機典型結(jié)構(gòu)件在設(shè)計過程中考慮的因素以及服役過程中存在的關(guān)鍵問題，突出從已經(jīng)發(fā)生的慘痛飛行教訓(xùn)中引導(dǎo)學(xué)生思考。例如，在進行輪盤強度教學(xué)時，以美國1989年蘇城空難發(fā)生的輪盤微小缺陷引起的事故進行提問教學(xué)，綜合運用所學(xué)知識，從缺陷位置、應(yīng)力水平估計、材料微缺陷、疲勞性能等多個方面入手，達到提高學(xué)習興趣的目的。又如，利用工廠提供的含掉角的故障葉片，引導(dǎo)學(xué)生分析葉片振動模態(tài)，增加學(xué)生解決實際問題的滿足感和成就感，體會學(xué)習樂趣的同時，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和解決問題的能力。

四、小結(jié)與建議

航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度與振動是一門理論性、實踐性、綜合性都很強的專業(yè)課程。隨著國家對航空發(fā)動機設(shè)計自主研制的迫切需求，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法不能滿足綜合性、高素質(zhì)人才培養(yǎng)的需要，提出課程教改措施勢在必行。因此，我們提出要將傳統(tǒng)枯燥乏味的推導(dǎo)、已有簡化結(jié)構(gòu)分析為主的教學(xué)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)槿诤蟼鹘y(tǒng)分析的同時更加注重學(xué)生對結(jié)構(gòu)總體布局、細節(jié)尺寸設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、優(yōu)化與減重、材料選擇等諸多方面均貫徹啟發(fā)式的強度與振動理念，并輔以專用或通用軟件進行航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)的強度振動分析對比和設(shè)計，達到實用型、綜合型、創(chuàng)新型的人才培養(yǎng)目標。

參考文獻：

[1]斯庫巴切夫斯基.航空燃氣渦輪發(fā)動機零件結(jié)構(gòu)與計算[M].國防工業(yè)出版社,1992.

[2]宋兆宏.發(fā)動機強度與振動[M].內(nèi)部,1988.[3]呂文林.航空發(fā)動機強度計算[M].國防工業(yè)出版社,1988.

作者:胡曉安 丁相玉 單位:南昌航空大學(xué)