“航空發(fā)動機強度與振動”教學(xué)改革的探索與思考

摘 要：“航空發(fā)動機強度與振動”是飛行器動力工程專業(yè)的核心課程之一，是提高學(xué)生的理論水平和工程應(yīng)用的重要途徑。首先從知識結(jié)構(gòu)、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣點和任課教師的要求三個方面，分析了“航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)與強度”課程中的現(xiàn)狀；針對這些問題，分別從知識體系、教學(xué)手段和教師知識結(jié)構(gòu)方向進(jìn)行優(yōu)化，重點分析了四種具體的教學(xué)手段；最后通過學(xué)生反饋的效果表明，本課程的改革是成功的。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機 強度與振動 教學(xué)改革

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

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

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

一、“航空發(fā)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(yè)是典型的技術(shù)密集型行業(yè)，而航空發(fā)動機又是該行業(yè)的核心，并且?guī)缀鹾w了工程領(lǐng)域內(nèi)最尖端的知識。在實際工程中，航空發(fā)動機的強度與振動主要有流體工質(zhì)和固體結(jié)構(gòu)組成?？紤]到我國學(xué)生本科階段的知識培養(yǎng)情況，中國民航大學(xué)的“航空發(fā)動機強度與振動”中的“強度”方向立足于固體力學(xué)的靜力學(xué)知識，“振動”方向側(cè)重于動力學(xué)和運動學(xué)方面的知識。通過學(xué)習(xí)葉片、輪盤和聯(lián)接件的強度計算，葉片、盤和殼體的振動分析，發(fā)動機的振動與平衡等知識，使學(xué)生掌握發(fā)動機主要零件力學(xué)模型的建立和強度計算的方法，學(xué)會發(fā)動機主要零件的振動分析和整體振動分析的方法。

“航空發(fā)動機強度與振動”課程的主要內(nèi)容包含為：

（1）葉片強度：葉片的工作條件模型化、離心拉伸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、氣動力、總應(yīng)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(tài)的強度問題，輪盤的許用應(yīng)力；

（3）聯(lián)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(lián)結(jié)器承壓驗算，聯(lián)接螺釘?shù)膹姸扔嬎悖?/p>

（4）葉片振動：各種振型、彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動、復(fù)合振動等，截面葉片振動數(shù)學(xué)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(zhuǎn)及其他復(fù)雜振動，影響自振頻率的因素，振動應(yīng)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(fā)動機殼體振動：圓盤振動的各種振型、節(jié)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(fā)動機的轉(zhuǎn)動部件的振動與平衡：發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計算方法，軸質(zhì)量對臨界轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的因素。整機振動檢測與分析。發(fā)動機轉(zhuǎn)子靜平衡、動平衡方法。

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

以風(fēng)扇葉片為例：由于風(fēng)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(fù)合材料葉片等多種結(jié)構(gòu)，其強度與振動的知識就涉及到氣體動力學(xué)、彈性力學(xué)、有限元分析、疲勞與斷裂、復(fù)合材料力學(xué)等方面。這對于處于本科階段的學(xué)生來說，要求掌握較多的交叉知識。

2.學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，理解難

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

由于航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，大部分課程包含了固體力學(xué)中的解析解和半解析解，對于知識層次處于本科階段的學(xué)生來說，很難理解課程中相關(guān)內(nèi)容。雖然從公式表面看，“航空發(fā)動機強度與振動”公式推導(dǎo)簡單，但是要求學(xué)生自己去分析實際工況的航空發(fā)動機零部件。學(xué)生往往無從下手。特別是當(dāng)代航空發(fā)動機零部件的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)相差較大，要求學(xué)生獨立建立相關(guān)模型的時候，學(xué)生普遍反映比較困難。

3.課程對任課教師要求高

“航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)與強度”課程的內(nèi)容由于其獨立性，要求任課教師有扎實的力學(xué)和實驗測試技術(shù)，同時不斷吸取國內(nèi)外先進(jìn)的航空發(fā)動機制造和維護(hù)技術(shù)。課程對任課教師的要求普遍較高。其原因為：

一方面，現(xiàn)階段國內(nèi)的航空院校，主要教授的課程內(nèi)容都是軍用航空發(fā)動機，由于軍用和民用航空發(fā)動機，在技術(shù)要求和工作環(huán)境上，還是有較大區(qū)別的：軍用發(fā)動機強調(diào)作戰(zhàn)性能和推力性能，而民用發(fā)動機則強調(diào)安全性和經(jīng)濟(jì)性；另一方面，由于民用航空發(fā)動機的技術(shù)難度大，國外的科研機構(gòu)對相關(guān)的知識一直處于保密狀態(tài)，任課教師在獲取最前沿的民用航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)強度知識方面，一直都比較困難。

同時由于該課程內(nèi)容抽象，如何吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)強度的認(rèn)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(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動性。

二、解決“航空發(fā)動機強度與振動”課程不足的途徑

1.知識結(jié)構(gòu)條理化

針對課程知識點結(jié)構(gòu)交叉的特點，“航空發(fā)動機強度與振動”課程組在講授本課程的時候，將課程內(nèi)容進(jìn)行條理化。將課程中結(jié)構(gòu)相近的零部件進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。例如在講授風(fēng)扇葉片的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子葉片和靜子葉片，在受力分析的同時，也進(jìn)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(fēng)扇盤。讓學(xué)生學(xué)習(xí)壓氣機的動平衡時，同時學(xué)習(xí)渦輪的動平衡，以及整個轉(zhuǎn)動部件的動平衡。這樣，相近的知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸納統(tǒng)一，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)后續(xù)知識的同時，也在復(fù)習(xí)以前的相關(guān)知識。

2.多種教學(xué)手段教學(xué)，增加學(xué)生的主觀能動性

通過近四年的摸索，“航空發(fā)動機強度與振動”課程組探討了多種教學(xué)手段：

（1）優(yōu)化教材內(nèi)容，及時更新課件?，F(xiàn)階段由于國內(nèi)并沒有統(tǒng)一規(guī)劃的教材，課程組在系統(tǒng)學(xué)習(xí)國外發(fā)動機的設(shè)計制造廠的技術(shù)資料后，結(jié)合國內(nèi)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(fā)動機的強度與振動的教材。同時積極參與國外民用航空發(fā)動機在國內(nèi)的培訓(xùn)部門的培訓(xùn)，優(yōu)化了“航空發(fā)動機強度與振動”的課程內(nèi)容。

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

（3）細(xì)化實驗課程，提高學(xué)生的動手能力?，F(xiàn)階段，我校為“航空發(fā)動機強度與振動”課程更新了2個實驗室：零部件模態(tài)實驗室和轉(zhuǎn)子振動實驗室。新引入了高速轉(zhuǎn)子試驗臺，優(yōu)化了針對葉片和輪盤的錘擊儀器，擴大了實驗室的設(shè)備臺數(shù)和用房。將學(xué)生由過去的實驗課時有2個增加到5個，同時嚴(yán)抓實驗報告的質(zhì)量，以便提高學(xué)生的動手能力。

（4）通過實習(xí)提高學(xué)生的工程認(rèn)知能力。在講授“航空發(fā)動機強度與振動”課程的同時，及時將學(xué)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(fā)動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的振動情況；同時在實習(xí)過程中，打開航空發(fā)動機的包皮，講解發(fā)動機銘牌上的N1配平原理。同時，任課教師在民航企業(yè)帶隊實習(xí)時，在發(fā)動機的裝配和維修車間，給學(xué)生講解常用的民航發(fā)動機風(fēng)扇葉片對稱安裝的機理、發(fā)動機振動和配平機理，從而提高學(xué)生的認(rèn)知能力。

3.優(yōu)化教師的知識結(jié)構(gòu)，完善教師團(tuán)隊

現(xiàn)階段，“航空發(fā)動機強度與振動”課程組老師主要由國外留學(xué)歸來，或國內(nèi)重點院校的博士講解該課程，為了優(yōu)化教師的知識結(jié)構(gòu)，課程組積極鼓勵大家進(jìn)行學(xué)術(shù)交流研討，同時，派送任課教師去國外學(xué)習(xí)，去民用航空發(fā)動機制造商的培訓(xùn)機構(gòu)實習(xí)，去國內(nèi)航空公司和維修部門學(xué)習(xí)調(diào)研，從各個方面優(yōu)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(fā)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(xué)生的出勤率和聽課效果良好。近4年，學(xué)生的出勤率由過去約75%上升到95%以上。坐在前排的同學(xué)普遍增加，學(xué)生反映良好。通過學(xué)生反饋給教師的評分系統(tǒng)中，好評率一直在95%以上。

（2）“航空發(fā)動機強度與振動”考試的及格率和優(yōu)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(dá)到100%。卷面成績中80以上者從2012年的10%上升至20%；

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

結(jié)束語

工科大學(xué)教師是教師，同時也是工程師。作為中國民航大學(xué)飛行器動力工程專業(yè)的一名任課教師，擔(dān)負(fù)著未來國內(nèi)民用航空發(fā)動機工程師的培養(yǎng)工作。如何更好的使得學(xué)生將理論和實踐結(jié)合起來，一直是“航空發(fā)動機強度與振動”課程組的重任。在教學(xué)過程中，積極調(diào)動和挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)主動性，從教學(xué)內(nèi)容、課程設(shè)計、實驗課程和工程實踐中，為學(xué)生創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)條件，最終達(dá)到學(xué)生無論在理論上，還是在工程實際運用上，都有較好的提高。

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