復(fù)合材料熱壓罐成型工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

楊金水 尹昌平 陳丁丁 邢素麗 鞠蘇

[摘 要] 為了解決復(fù)合材料熱壓罐成型工藝實(shí)驗(yàn)高危、低效、高成本的難題，提高實(shí)驗(yàn)的交互性、實(shí)用性和覆蓋面，利用Unity 3D、3D Studio Max和Maya等軟件設(shè)計(jì)開發(fā)了復(fù)合材料熱壓罐成型工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并依托于開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)開放運(yùn)行，將高危低效的熱壓罐成型實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)換為無危高效的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。設(shè)計(jì)相關(guān)學(xué)科知識(shí)點(diǎn)的交互性操作，通過交互性操作，增加學(xué)生的參與感和掌握相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的全覆蓋和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的實(shí)時(shí)在線評(píng)價(jià)反饋，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 復(fù)合材料;熱壓罐成型工藝;虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

[教改課題] 2019年度國防科技大學(xué)院級(jí)教改課題“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目助力材料學(xué)科課程教學(xué)的探索與實(shí)踐”;2019年度湖南省學(xué)位與研究生教育改革研究項(xiàng)目“基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的復(fù)合材料研究生專業(yè)課混合式教學(xué)改革探索實(shí)踐”（yjsy2019029）;2021年度國防科技大學(xué)研究生精品課程培育項(xiàng)目“復(fù)合材料制備與加工技術(shù)”

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

[中圖分類號(hào)] G642.423 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2022）10-0132-05[收稿日期] 2021-06-24

先進(jìn)復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、性能可設(shè)計(jì)、材料與構(gòu)件一體等優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于航空航天裝備領(lǐng)域[1]。復(fù)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(shù)。為滿足高纖維體積分?jǐn)?shù)、高性能均勻性和高穩(wěn)定性的“三高”要求，熱壓罐成型工藝[2-4]已成為航空航天復(fù)合材料制備的首選技術(shù)。因其重要性，該工藝基本上已納入各高校復(fù)合材料專業(yè)學(xué)生必修的重點(diǎn)知識(shí)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(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的鋪層方式鋪設(shè)預(yù)浸料、制備預(yù)成型體，然后采用柔性真空袋膜對(duì)預(yù)成型體進(jìn)行封裝處理，抽真空檢查氣密性，保持真空負(fù)壓條件下在熱壓罐中的高溫高壓環(huán)境中進(jìn)行固化定型，最后冷卻、脫模、后處理得到所需先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件。該工藝具有高溫高壓、溫壓均勻和性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，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(wěn)定帶來的問題是高能耗、高危險(xiǎn)、設(shè)備昂貴和運(yùn)行維護(hù)成本高，導(dǎo)致高校難以配備或即使配備也難以有效開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

為有效開展復(fù)合材料專業(yè)熱壓罐成型工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)開發(fā)復(fù)合材料熱壓罐成型工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，依托于開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)開放運(yùn)行，將高危低效的熱壓罐成型實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)換為無危高效的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[5]，同時(shí)實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的全覆蓋和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的實(shí)時(shí)在線評(píng)價(jià)反饋，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和質(zhì)量。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

復(fù)合材料專業(yè)課程體系主要包括“復(fù)合材料學(xué)”“復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”“復(fù)合材料成型制備技術(shù)”和“復(fù)合材料性能測(cè)試與表征”等課程，基本構(gòu)成一個(gè)完整的材料科學(xué)與工程四面體。熱壓罐成型工藝是“復(fù)合材料成型制備技術(shù)”課程的核心內(nèi)容，也是其中的重難點(diǎn)。

熱壓罐成型工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的目的是：通過仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解復(fù)合材料的特點(diǎn)，掌握復(fù)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(diǎn)，清晰認(rèn)識(shí)該工藝在復(fù)合材料部件制備中的應(yīng)用范圍。

（二）實(shí)驗(yàn)基本原理

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基于熱壓罐成型工藝的基本原理（圖1），設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)關(guān)鍵影響因素進(jìn)行重點(diǎn)仿真，主要包括以下四個(gè)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(shè)聚四氟乙烯薄膜，保證復(fù)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(huì)導(dǎo)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(shè)預(yù)浸料、脫模布、透氣氈、真空底座、真空袋膜，詳見熱壓罐成型預(yù)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(yù)浸料預(yù)成型體需要高溫密封膠帶和真空袋膜進(jìn)行封裝，恰當(dāng)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(dá)到技術(shù)要求。

4.固化制度確定和熱壓罐操作。通過預(yù)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(yù)固化、固化和后固化溫度以及對(duì)應(yīng)的加壓制度。正確完成熱壓罐的各項(xiàng)操作。

（三）實(shí)驗(yàn)總體構(gòu)架

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目運(yùn)行的支撐平臺(tái)及項(xiàng)目運(yùn)行的架構(gòu)，共分為數(shù)據(jù)層、支撐層、通用服務(wù)層、仿真層和應(yīng)用層等5個(gè)，每一層都為其上層提供服務(wù)，直到完成具體虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。

1.數(shù)據(jù)層。熱壓罐成型工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及多種類型虛擬實(shí)驗(yàn)組件及數(shù)據(jù)，這里分別設(shè)置虛擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)元件庫、實(shí)驗(yàn)課程庫、典型實(shí)驗(yàn)庫、標(biāo)準(zhǔn)答案庫、規(guī)則庫、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、用戶信息等來實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理。

2.支撐層。支撐層是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與開放共享平臺(tái)的核心框架，是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正常開放運(yùn)行的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)整個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和管理。支撐平臺(tái)包括以下幾個(gè)功能子系統(tǒng)：安全管理、服務(wù)容器、數(shù)據(jù)管理、資源管理與監(jiān)控、域管理、域間信息服務(wù)等。

3.通用服務(wù)層。通用服務(wù)層即開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，提供虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的一些通用支持組件，以便用戶能夠快速在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通用服務(wù)包括：實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、理論知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)資源管理、智能指導(dǎo)、互動(dòng)交流、實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)批改、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、教學(xué)效果評(píng)、項(xiàng)目開放與共等，同時(shí)提供相應(yīng)集成接口工具，以便該平臺(tái)能夠方便集成第三方的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)入統(tǒng)一管理。

4.仿真層。仿真層主要針對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行相應(yīng)的器材建模、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景構(gòu)建、虛擬儀器開發(fā)、提供通用的仿真器，最后為上層提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出。

5.應(yīng)用層?；诘讓拥姆?wù)，最終熱壓罐成型工藝仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)與開放共享。該框架的應(yīng)用層具有良好的擴(kuò)展性，實(shí)驗(yàn)教師可根據(jù)教學(xué)需要，利用服務(wù)層提供的各種工具和仿真層提供的相應(yīng)的器材模型，設(shè)計(jì)各種典型實(shí)驗(yàn)實(shí)例，最后面向?qū)W校開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用。

（四）實(shí)驗(yàn)虛擬仿真度

為了使學(xué)生直觀的了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對(duì)象及其他實(shí)驗(yàn)要素，虛擬實(shí)驗(yàn)依照“實(shí)物”高精準(zhǔn)建立相關(guān)模型，例如核心實(shí)驗(yàn)設(shè)備熱壓罐，實(shí)物如圖4（a），虛擬模型如圖4（b），虛擬模型高度精度還原實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

二、實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)步驟

（一）實(shí)驗(yàn)方法

熱壓罐成型工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了學(xué)習(xí)版（學(xué)習(xí)模式）和考核版（考核模式）兩種模式。學(xué)習(xí)模式，學(xué)生根據(jù)提示逐步點(diǎn)擊“確認(rèn)”就能完成實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)設(shè)置演示視頻、圖文講解、信息鏈接等，學(xué)生可以方便地學(xué)習(xí)熱壓罐成型工藝基本原理、技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)步驟。

學(xué)生可以選擇先完成學(xué)習(xí)模式的實(shí)驗(yàn)，也可以直接進(jìn)行考核模式的實(shí)驗(yàn)?？己四Ｊ綄?shí)驗(yàn)步驟的設(shè)置與學(xué)習(xí)模式相同，不同的是：沒有操作提示，輸入條件更新、輸入?yún)?shù)需要學(xué)生自行確定，實(shí)驗(yàn)操作錯(cuò)誤需要學(xué)生自行更正，參數(shù)確定沒有講解，但設(shè)置關(guān)聯(lián)知識(shí)鏈接，點(diǎn)擊可查看?；静僮魇牵菏髽?biāo)點(diǎn)擊和數(shù)據(jù)輸入操作。遇到錯(cuò)誤操作時(shí)分兩種情況：一種為“不可進(jìn)行性錯(cuò)誤”，這種情況下必須操作正確才能進(jìn)行下一步。后臺(tái)記錄操作錯(cuò)誤的次數(shù)。另一種為“允許性錯(cuò)誤”，這種情況下當(dāng)前實(shí)驗(yàn)操作可繼續(xù)進(jìn)行，但后續(xù)操作可能無法進(jìn)行或得到錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)結(jié)果;允許學(xué)生返回糾正，但會(huì)扣分。

（二）實(shí)驗(yàn)步驟

熱壓罐成型復(fù)合材料構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)步驟主要包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、預(yù)成型體制備、開蓋、進(jìn)罐抽真空、合蓋、設(shè)置溫度壓力、加熱加壓固化、冷卻、開蓋取樣、脫模檢測(cè)等，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)步驟中設(shè)計(jì)相關(guān)的交互性操作，考核各步驟的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。

第一步，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。首先是檢查熱壓罐系統(tǒng)的完好性，包括加壓/卸壓系統(tǒng)、罐體系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、加熱/冷卻系統(tǒng)和真空系統(tǒng)（見圖1），確定設(shè)備完好、可開展實(shí)驗(yàn)。設(shè)置設(shè)備檢查和安全確認(rèn)兩個(gè)交互性操作，培養(yǎng)學(xué)生檢查和維護(hù)設(shè)備的良好習(xí)慣，增強(qiáng)安全防護(hù)意識(shí)。然后設(shè)置模具處理和選擇材料的相關(guān)交互性操作，考核學(xué)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(shí)點(diǎn)。

第二步，預(yù)成型體制備。采用熱壓罐制備復(fù)合材料構(gòu)件，所用原材料一般是纖維預(yù)浸料，在進(jìn)熱壓罐前，通常先在成型模具上鋪放制備成預(yù)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(shè)置鋪層順序和封裝次序的交互性操作，考核學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。

第三步，開蓋、進(jìn)罐抽真空、合蓋。實(shí)驗(yàn)操作步驟包括熱壓罐開蓋、預(yù)成型體及模具進(jìn)熱壓罐、成型模腔連接真空系統(tǒng)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(fù)合材料制品的纖維體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)而影響構(gòu)件的力學(xué)性能，是關(guān)鍵影響因素，設(shè)置交互性操作，考核真空度影響的知識(shí)點(diǎn)。

第四步，設(shè)置溫度壓力、加熱加壓固化和冷卻。實(shí)驗(yàn)操作步驟包括設(shè)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(guān)鍵工藝參數(shù)，固化制度確定主要確定就是這兩大參數(shù)。固化溫度包括預(yù)固化、固化和后固化溫度，取決于復(fù)合材料樹脂基體的固化反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué);固化壓力則主要影響制品纖維體積分?jǐn)?shù)，可依據(jù)成型壓力與纖維體積分?jǐn)?shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系方程式計(jì)算。設(shè)置固化制度確定的交互性操作，考核固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、固化反應(yīng)機(jī)理和成型壓力的影響規(guī)律。

第五步，開蓋取樣、脫模檢測(cè)。開蓋取樣和脫模檢測(cè)屬于熱壓罐的常規(guī)操作，但脫模檢測(cè)是所有復(fù)合材料成型工藝的通用步驟，通過該工藝脫模檢測(cè)步驟的學(xué)習(xí)可了解其他成型工藝的脫模檢測(cè)步驟，設(shè)置纖維體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)、外觀檢測(cè)、固化度檢測(cè)等交互性操作。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟在下拉菜單中都設(shè)置有相關(guān)知識(shí)點(diǎn)介紹和講解鏈接，學(xué)生可以方便學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)

（一）教學(xué)方法

教學(xué)過程可分為三個(gè)部分：第一部分，教師在實(shí)驗(yàn)開始前發(fā)布線上課程資源，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和自測(cè);課堂開始后，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)、難點(diǎn)和自測(cè)錯(cuò)誤率較高的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)講解;然后教師組織課堂口試，評(píng)估學(xué)生能否上機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，確認(rèn)后安排上機(jī)實(shí)驗(yàn)操作;此部分不計(jì)分。第二部分，學(xué)生上機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，此部分設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作與結(jié)果考核，由系統(tǒng)（機(jī)器）判分。第三部分，教師就學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行簡(jiǎn)單講評(píng)，此部分由教師判分。

為了提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，充分利用虛擬仿真的特點(diǎn)，發(fā)揮學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的主觀能動(dòng)性，實(shí)驗(yàn)中允許學(xué)生發(fā)生錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)錯(cuò)誤內(nèi)容輸出最后的錯(cuò)誤結(jié)果;要求學(xué)生在錯(cuò)誤結(jié)果的基礎(chǔ)上做出分析，判斷實(shí)驗(yàn)過程中錯(cuò)誤發(fā)生的環(huán)節(jié)并加以修正，系統(tǒng)及時(shí)反饋修正后的輸出，如此反復(fù)直至獲得理想結(jié)果。

（二）實(shí)驗(yàn)考核

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行綜合評(píng)定，考查學(xué)生掌握知識(shí)以及分析和解決問題的能力。首先，學(xué)生未完成實(shí)驗(yàn)或最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤，則直接判為不及格。然后，完成實(shí)驗(yàn)且實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確的前提下，最終分?jǐn)?shù)由操作得分和實(shí)驗(yàn)報(bào)告得分構(gòu)成。操作得分（百分制）占總分的90%，由機(jī)器直接判讀;實(shí)驗(yàn)報(bào)告得分（百分制）占總分的10%，由授課教師評(píng)價(jià)。

操作等分根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟和交互性操作設(shè)計(jì)的分?jǐn)?shù)，統(tǒng)計(jì)學(xué)生的最終得分，同時(shí)統(tǒng)計(jì)學(xué)生的操作情況，反饋給學(xué)生，提高學(xué)習(xí)的效果。例如學(xué)生選擇工藝輔助材料錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)記錄下學(xué)生首次選擇的輔助材料，結(jié)果反饋給學(xué)生，學(xué)生通過與正確選擇對(duì)比，認(rèn)識(shí)到自己對(duì)該知識(shí)點(diǎn)掌握的缺失。

實(shí)驗(yàn)報(bào)告等分則根據(jù)學(xué)生填寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行計(jì)分，培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)和分析的能力。最終考核結(jié)果會(huì)記錄下來，可作為相關(guān)課程的平時(shí)成績(jī)或平時(shí)成績(jī)的部分，例如本校研究生課程“復(fù)合材料制備與加工技術(shù)”就采用本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)成績(jī)作為課程的平時(shí)成績(jī)。

結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)基于復(fù)合材料熱壓罐成型工藝基本原理，結(jié)合科研過程積累的案例和材料性能數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)復(fù)合材料熱壓罐成型工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了高溫高壓高危熱壓罐成型實(shí)驗(yàn)的在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，降低了實(shí)驗(yàn)的成本與風(fēng)險(xiǎn)。而且可以方便地實(shí)現(xiàn)人人操作、直觀理解實(shí)驗(yàn)基本原理，同時(shí)設(shè)計(jì)相關(guān)學(xué)科知識(shí)點(diǎn)的交互性操作。通過交互性操作，增加學(xué)生的參與感和掌握相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和質(zhì)量。

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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