复合材料成型工艺设计教学改革探讨

摘要:“复合材料成型工艺设计”实验项目通过开展虚拟仿真实验教学、材料力学性能检测及有限元模拟分析等，加深了学生对复合材料、材料成型工艺与制品检验检测等多方面知识的理解与应用。本文以装配式复合材料层合隔板的设计、无叶片风力发电机组设计两个教学案例，展示了该实验项目的教学效果。通过自主式选题，给予了学生创新空间，调动了学生的学习兴趣，同时师生在线互动，发现与探讨问题，给予学生个性化的指导方案。

关键词:复合材料;工艺设计;实验教学改革

复合材料实验教学作为培养锻炼复合材料专业学生实践动手能力与科研创新能力的重要课程，在教学体系中占有举足轻重的地位，其中“复合材料成型工艺设计”实验项目的开展对于提高学生设计性思维、整体工程观等具有一定的促进作用［1］。本文针对该实验项目进行了系统性的改革探索，结合线上线下混合式教学方法，启发学生自主式学习，收到良好的教学效果，这对于推动材料类实验教学模式改革也具有一定的参考意义。

1实验课程教学设计与目标

本实验项目主要承接复合材料结构设计基础、复合材料工学与模具材料设计等理论课程，参考了“上纬杯全国大学生复合材料设计与制作大赛”的竞赛方式，采用线上线下混合式教学方法，突出自主式实验教学理念，在课程设置上主要分为:线上开展虚拟实验教学、线下进行材料力学性能测试及计算软件教学、复合材料制品设计等三个部分。通过超星网络教学平台、微信等媒介，从原材料选择，机械性能检测到制备工艺的确定，再到终端产品的受力分析，师生展开互动与交流。通过启发式的实验教学方法，学生自主开展学习，最终形成复合材料制品工艺设计报告，一方面调动了学生的积极性，激发了学生的创新意识，提升了其工程实践能力;另一方面教师根据学生的实时反馈及时调整教学，进行个性化的指导。

2实验教学过程

2.1虚拟仿真实验教学

在教师的引导下学生在国家虚拟仿真实验教学项目共享平台学习福建农林大学的“木材工业用胶黏剂制备及性能检测虚拟仿真实验教学项目”，了解复合材料原料—树脂的合成工艺与性能检测;学习国防科技大学开发的“战机复合材料构件制备与损伤虚拟仿真实验”与福州大学开发的“活性炭陶瓷复合材料的制备及测试虚拟仿真实验”，了解树脂基、陶瓷基复合材料制备工艺流程。通过虚拟实验的学习，加深学生对复合材料原材料、制备工艺、检验检测的理解，为后期成型工艺设计打下基础。

2.2机械性能测试、有限元分析软件使用、材料工艺设计教学

学生分组选择三到四种不同的复合材料进行拉伸、弯曲、冲击强度测试，如碳酸钙增强聚丙烯、玻璃纤维增强不饱和聚酯、碳纤维增强环氧树脂、氮化硅－碳化硅陶瓷基复合材料等。通过对不同复合材料进行测试，使学生了解不同种类材料的机械性能特点与优劣，同时进一步阐述其使用环境要求。结合理论课程中所述知识点，学习复合材料成型工艺的设计思路、框架及有限元分析软件的基本操作步骤，给出参考资料，积极启发、引导学生模仿练习，使学生掌握材料设计的重点与要点。

2.3复合材料工艺设计

在教师给出设计目标与要求的基础上，学生结合时事背景、应用前沿，以兴趣为出发点，以小组的形式自主提出设计选题，选题应具备一定的挑战性和实际操作空间，于课下完成设计报告。在这一过程中，教师与学生通过超星网络教学平台、微信群互动交流，不同组同学在线上也可实时分享设计信息与遇到的问题，并展开讨论交流。评判标准根据设计内容的难易程度进行适当调整，同时结合整个教学、互动过程中学生的表现情况给出成绩，确保实现个性化辅导。通过这种教学手段的实施，激发了学生的参与热情与主动性，在完成设计报告的过程中也起到巩固知识，锻炼实际工程思维的目标。

3实验教学案例

3.1装配式复合材料层合隔板的设计

当突发公共安全卫生事件时，建立方舱医院是控制轻症患者不继续加重病情的优化选择，对疫情的防控具有重要作用，如何避免交叉感染是方舱医院需要面临和解决的首要问题，针对这一情况，学生团队设计了一种装配式复合材料层合隔板，以便医护人员进行模块化管理，观察和控制患者病情。与传统隔板相比，复合材料层合隔板具有更优良的防护性能及可重复使用的特点，同时其生产工艺相对简单，安装过程进一步简化，能够满足突发需求。图1装配式复合材料层合隔板示意图Fig.1Sketchmapoffabricatedcompositelaminatesdiaphragms造型设计:基础参数设计，根据市面标准单人床1.2m×1.9m的规格，考虑到一定的舒适性，将隔板的长度设置为3m。隔板高度对于隔板的隔绝效果具有一定的作用，查找相关资料［2－3］，确定隔板高度为2.1m。考虑板材国家标准、成本和性能要求，设置镁合金板材厚度0.11mm，PE板材厚度2mm。使用时，两块隔板分别在X方向中心线位置，沿中心线开一个切口，切口深度为板高度的1/2，切口宽度取板厚，两块板通过两个口的十字交叉装配组成一个十字形隔板。材料选择:为达到隔板使用要求，我们采用镁合金板—PE板—镁合金板三明治夹芯结构进行设计。镁合金板选用AZ31B镁合金，抗拉强度高于290MPa，伸长率3%～10%［4］;PE板选用高密度聚乙烯板，该材料具有良好的耐化学腐蚀特性，在潮湿环境下，能够较好地阻隔水蒸汽并保持良好的电气绝缘性。涂层材料选择PTFE涂层，该图层与镁合金相容性较好并且具备良好的自抗菌性可减少病毒的粘附，对方舱医院进行交叉感染管理和控制病人病情具有重要意义。材料成型方式:胶接—辊压的方式进行层合板成型，同时采用磁控溅射镀膜法在表面磁控溅射镀膜PTFE涂层。预处理，首先用角磨机对镁合金板材，PE板进行工艺切口切削、打磨、清洁去除表面的氧化层。粘合，将PP胶均匀涂覆于两种板材的粘合表面，初步粘合后，对其施加一定载荷使板材压实，静置一段时间。辊压，调节辊压缝宽度略小于板材相加总厚度，在一定的辊压速度下，使试件以铅锤状态咬入，保证轧制力的均匀施加排除高分子粘结膜粘结时掺入的气体。轧制结束后，清理边缘的过盈PP胶，打磨镁合金表面层，使用有机溶剂清洗表面，自然晾干。使用磁控溅射PTFE液进行镀膜，简易封装。图2设计强度及工况结构受力分析:结合板材的长宽高与AZ31B镁合金板、PE板标准强度和许用变形量，设定镁合金板的最大许用应力为30MPa，最大许用变形量为0.1mm。隔板在安装时，其中一端用胶接方式与地面结合，形成一个固定支座。在使用过程中，隔板只需承受自身重力载荷。使用Abaqus有限元分析软件建立受力模型，对其进行受力分析。首先对隔板进行离散化网格处理，根据实际数模的安装方式，各插件面采用tie绑定的约束关系，边界及相互关系采用XYZ各自由度下的全约束条件，使用CAE强度分析计算隔板的整体应力、变形，分析验证其应力是否满足材料的屈服强度设计要求。应力与变形校核，由于外加荷载可约束不计，只承受自身重量荷载，通过分析计算在水平一个方向1G载荷作用下和在水平两个方向各0.5G载荷下，最大应力2.8MPa，系统的最大变形0.003mm，远低于材料的许用最大应力30MPa，0.1mm，因此能够满足强度、刚度设计要求。综上，隔板的设计在力学性能方面具有可行性。

3.2无叶片风力发电机组设计

随着传统能源消耗的快速增加，储量日趋枯竭，相关环境污染问题也日益加重。风能作为清洁可再生能源，受到越来越多的国家重视，然而风力发电系统中叶片转动带来的噪音污染及对鸟类生态系统的破坏系列问题正逐渐暴露。学生团队针对这一情况，查找相关资料，参考西班牙VortexBladeless公司设计理念［5］，设计出一款利用振动来捕获风能进而发电的无叶片发电机组。设计原理:风作为一种流体，当以一定的速度吹过无叶片发电机组的桅杆时，会在桅杆周围周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后形成“卡门涡街”。当涡旋足够大时，桅杆产生剧烈振动，从而产生能量输出。与常规风机发电组相比，其制造成本相对低廉，总体碳排放量降低，无噪音同时土地利用率高等。结构设计:整体外形设计如图4所示，结构包括，固定桅杆(产生振动)、发电机(磁耦合装置系统)、圆柱体三大部分。桅杆采用实心设计，并于桅杆尾部设计燕尾槽;圆柱体采取实心设计，并于顶部设计燕尾形榫头;桅杆与圆柱体连接处采用燕尾形榫头连接设计。圆柱体与发电机连接处采用法兰接头连接设计。图4无叶片风力发电机外形草图Fig.4Outlinesketchofbladelesswindturbine材料选择及成型方式:考虑到桅杆的使用要求，需具备质量轻、强度高、耐候性优良等特点，学生团队选择碳纤维/环氧树脂复合材料［6－7］，成型方式选择ＲTM成型工艺与喷射成型工艺相结合。圆柱体选择连续碳纤维增强PEEK复合材料是考虑PEEK树脂具有最好的抗冲击抗损伤性能、抗疲劳及耐蠕变特性以及耐环境特性，可满足其使用条件，制备工艺采用注射成型工艺。承受载荷设计，分析计算:使用有限元分析软件对无叶片风力发电机组建立模型进行有限元分析，首先根据其整体结构选择合适的单元类型，进行参数设置，建立模型;对模型进行单元划分，将已建好的有限元模型导入结构场中，施加约束固定;对已约束好的模型依次施加重力载荷和风压载荷，导入分析计算模块，进行分析计算可得机组迎风面和背风面的压力云图以及风压曲线图，从而给出额定功率、与风速、振动频率之间的关系，并可结合计算结果考证产品的可靠性。

4结语

在此次实验教学过程中，涌现出多种复合材料成型工艺设计方案，相较于传统单一给定式材料成型工艺设计，采用线上线下混合式实验教学方式，能够能最大程度的调动学生学习积极性，拓宽学生设计思路，提升学生的创新思维与工程实践能力。同时，在后期的实验教学过程中可进一步引入3D个性化打印，将学生设计的模型以实物的形式打印出来，起到更好的教学效果。

参考文献

［1］刘玉岚，彭齐驭.信息时代下的“结构设计与实践”实验教学创新［J］．实验技术与管理，2018，35(01):13－16.

［2］袁理明，侯国求，罗海兵，等.武汉雷神山医院结构设计［J］．建筑结构，2020，50(08):1－8.

［3］周颖，卢思霏，孙耀南.方舱医院室内环境的改善方法［J］．江苏建筑，2020(02):12－14.

［4］张超智，王立萍，崔维启，等.聚乙烯/镁合金复合材料层合板的制备及辊压机理研究［J］．塑料工业，2019，47(10):92－96．

［5］西班牙发明新型风力发电机Vortex［J］．浙江电力，2015，34(06):74．

［6］尹伟涛，于良民，刘方涛，等．聚合物基轻质高强复合材料的制备及发展现状［J］．塑料工业，2018，46(10):12－16.

［7］肖畅，陈永霖，李帅，等.平流层飞艇碳纤维复合材料刚性骨架的管件连接方法研究［J］．复合材料科学与工程，2020(06):89－94.

作者：刘杰 阮接际 曾九川 谢天下 李朝阳 单位：南京工业大学材料科学与工程学院