复合材料以其轻质高强的特点，在武器装备中得到了广泛应用，是提升装备性能的关键因素之一。为使学生进一步了解复合材料在武器装备中进行应用的特点，以复合材料在战机上的应用为例，设计开发了该虚拟仿真实验。

本实验围绕战机上的应用，从高分子复合材料成型的基本功能和拓展功能两方面设计了战机机翼复合材料蒙皮制备和战机损伤构件快速修复两个实验模块。蒙皮制备模块主要实验内容为采用铺带-热压工艺制备战机机翼蒙皮。快速修复模块实验内容为采用复合材料分别通过挖补工艺和贴补工艺对受损天线罩和座舱盖进行快速修复。

实验目的如下：

（1） 了解复合材料在装备应用中的特点；

（2） 通过战机机翼复合材料蒙皮制备实验，掌握复合材料铺带-热压成型工艺的基本原理和操作流程，清晰认识该工艺在武器系统部件制备中的应用范围；

（3） 通过战机损伤构件快速修复实验，掌握利用复合材料进行快速修复的基本原理，熟悉构件损伤修复的操作流程，了解复合材料成型在武器装备中的拓展应用，培养学生创新思维能力；

（4） 通过该虚拟仿真实验，充分熟悉实验内容，形成直观、清晰的认识，为实物实验打下坚实基础。

实验所属课程所占课时：

40

该实验项目所占课时：

4

该实验围绕复合材料在武器装备的应用，以战机为例，设计了战机机翼复合材料蒙皮制备和战机损伤构件快速修复两大模块，其中战机损伤构件快速修复模块又包括损伤天线罩修复和损伤座舱盖修复两个实验。课程知识与本实验的关系框图如图1所示。

2-4-1 实验基本原理

（1）战机机翼复合材料蒙皮制备

战机机翼复合材料蒙皮制备实验要求学生通过铺带-热压工艺制备复合材料机翼蒙皮。铺带-热压成型工艺原理示意图如图2所示。首先，通过铺带机在特定模具上根据预先设计好的预浸料铺设方式进行铺带，形成预成型体。然后对预成型体进行封装处理，抽真空后在热压罐中的高温高压环境中进行固化。最后脱模得到所需构件。对关键步骤（即影响因素）与产品品质的对应关系进行重点仿真。

该部分知识点共5个：

①模具的要求和处理。模具必须具备一定的刚度，以保证构件的几何外形；同时模具需要具备良好的气密性，以保证后续的真空处理。对模具表面进行清理，做到无污渍；在表面涂抹高温脱模涂层或直接铺设聚四氟乙烯薄膜，确保后期能够顺利脱模。

②工艺辅助材料的铺放顺序。在处理好的模具上依次铺设预浸料、脱模布、透气毡、真空底座、真空袋膜。顺序不得发生颠倒。详见铺带-热压预成型体封装原理图3。

③真空袋膜的封装及真空密封性的检查。利用高温密封胶带进行封装，恰当布置胶带的打折处理。抽真空后需检查其密封性，确保真空度达到技术要求。

④固化制度的确定及热压罐的操作。通过预浸料用树脂体系的DSC曲线（图4(a)）和固化特征温度外推曲线（图4(b)），选定正确的预固化、固化和后固化温度以及对应的加压制度。正确完成热压罐的各项操作。

（2）战机损伤构件快速修复

战机损伤构件快速修复实验要求学生采用复合材料原位快速修复技术分别通过挖补工艺和贴补工艺对受损天线罩和座舱盖进行快速修复。复合材料原位快速修复技术基本原理是在外场条件下，在装备损伤处直接成型复合材料，使受损装备能部分或完全恢复战技性能，维持装备的完好率。常见修复方式如图5所示。对修补参数与修复效果之间的联系进行重点仿真。

该部分知识点共4个：

①损伤分析。分析损伤的类型（常见的有撞击凹坑、裂纹/裂痕、穿孔）、损伤部位的材质与结构（常见的有金属、复合材料、蜂窝夹芯结构等），并对损伤部位的面积和深度等进行测量。

②修复设计。根据损伤的类型、损伤部位的材料与结构以及几何特征，通过有限元计算（如图6）合理设计修复的方式，并确定合适的修复用材料体系。

③损伤清理及表面处理。若清理方法不对、处理不到位，将导致复合材料与损伤部位粘接不牢、修复效果不达标。

④修复实施。包括修复准备、修复铺层、修复制件封袋后抽真空、加热固化、脱模和后处理。原理和操作流程与热压成型工艺类似，不再赘述。其中，抽真空袋压压实的封装原理见图7。

2-4-2 核心要素的仿真度

（1）实验设备和实验对象的精准建模仿真

为了使学生直观的了解实验设备、实验对象及其它实验要素，本虚拟实验依照“实物”高精准建立相关模型，例如核心实验设备热压罐（见图8）和核心实验对象战机（见图9）。

图8 核心实验设备热压罐实物图与虚拟模型

图9 核心实验象战机实物图与虚拟模型

（2）实验操作流程的真实还原再现

本虚拟实验的实验操作流程依据 “实物实验”进行真实还原，目标是学生完成虚拟实验后能够独立进行实物实验操作。例如天线罩损伤修复的实验操作流程，见图10。

图10 实验操作流程的真实还原

（3）实验数据与科研成果的良好融合验证

本虚拟实验以科研成果和科研数据为基础构建虚拟实验数据库，虚拟实验融合了科研探索，科研过程能够在虚拟实验中的重现和验证。例如机翼制备成型压力与纤维体积分数的关系（见图11）和座舱盖损伤修复检测（见图12）。

图11 机翼制备成型压力与纤维体积分数的关系

图12 座舱盖损伤修复检测

知识点：8个

(1) 模具的要求和处理；

(2) 工艺辅助材料的铺放顺序；

(3) 真空袋膜的封装及真空密封性的检查；

(4) 固化制度的确定及热压罐的操作；

(5) 损伤分析；

(6) 修复设计；

(7) 损伤清理及表面处理；

(8) 修复实施。

使用“战机复合材料制备与损伤修复虚拟仿真实验”软件进行实验，软件著作权登记号为2019SR0920545（图13）。

战机机翼复合材料蒙皮制备实验涉及的虚拟设备有铺带机（见图14）、热压罐（见图8）、模具、真空系统等。

战机损伤构件快速修复实验涉及的虚拟设备有真空系统、电热系统、打磨机等。

图13 软件著作权登记证书

（举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果）

教学过程可分为三个部分，第一部分，教师在实验开始前发布线上课程资源，学生完成实验预习和自测；课堂开始后，教师对实验重点、难点和自测错误率较高的知识点进行重点讲解；然后教师组织课堂口试，评估学生能否上机进行实验操作，确认后安排上机实验操作；此部分不计分。第二部分，学生上机进行实验操作，此部分设计实验操作与结果考核，由系统（机器）判分。第三部分，教师就学生实验情况进行简单讲评，此部分由教师判分。实验教学逻辑框架如图15所示。

图15 实验教学逻辑框架示意图

为了提升学生的学习效果，充分利用虚拟仿真的特点，发挥学生实验过程中的主观能动性，虚拟仿真实验中（即学生的上机操作模块）提出了“以结果为导向的反思式”实验教学方法（详见图16）。实验中允许学生发生错误，系统会根据错误内容输出最后的错误结果；要求学生在错误结果的基础上做出分析，判断实验过程中错误发生的环节并加以修正，系统及时反馈修正后的输出，如此反复直至获得理想结果。

图16 “以结果为导向的反思式”实验教学方法

采用这样的虚拟仿真实验，教师在整个施教过程中主要担任基本知识讲解和答疑解惑的角色。对于有教师参与的教学活动，可在保证教学质量的前提下降低教师对课堂组织的难度；对于无教师参与的自学行为，同样可以保证良好的学习效果。

下面，主要对虚拟仿真实验中的“以结果为导向的反思式”实验教学方法进行详细介绍。

（1）使用目的

开展实验教学的目的在于通过学生的具体操作深入理解和掌握所学知识。在传统的实物实验中，整个操作步骤往往不允许发生任何错误：一旦某步发生错误，则无法得到理想结果；实验耗材，尤其是时间上的约束，通常无法让学生完成第二次实验。学生一般只能按部就班地根据老师指引的正确操作步骤依次进行，学生通过实验获得知识与提升能力的效果大打折扣。本实验充分利用虚拟仿真的特点，突破了传统实验的限制，以科研活动积累的素材创建基础数据库，允许学生在实验过程中发生错误。在数据库的支撑下，系统根据不同的错误操作反馈不同的错误结果；学生需要根据错误结果的详细描述自主分析错误发生的位置，并定位到相关操作进行纠正；系统及时反馈修正后的输出；如此反复直至获得理想结果。通过允许学生犯错，以错误结果倒逼学生进行“探索”，在主动思考、分析和纠正的过程中获得成功的体验，帮助学生提高实验兴趣，加深对所学知识的掌握程度，提高学生分析和解决问题的能力。

（2）实施过程

实验过程中，战机机翼复合材料蒙皮制备模块，以产品质量为导向，交互性操作与制品品质相关联。学生每一次错误操作都允许返回纠正，并及时反馈到产品质量中。战机损伤构件快速修复模块，以修复时间为导向，每种错误操作指向不同的修复效果，且要求进行补救性操作，并最终体现于修复总耗时中（如图17），并反映在实验得分上。

图17 所有操作均体现于修复时间中

以战机机翼复合材料蒙皮制备实验为例，具体说明以结果为导向的实验方法。该实验中，其中一个操作为依次铺放聚四氟乙烯薄膜（脱模用）和预浸料。假定铺设预浸料前没有铺设聚四氟乙烯薄膜，此时，整个实验依然可以继续进行（图18）；当实验到达“脱模检测”的步骤时，最终结果将显示为“无法脱模，制品粘在了模具上”（图19）。此时，学生需要根据结果准确找到错误点，返回并纠正（图20），才能得到理想的成型后的机翼蒙皮（图21）。

图18 忘记铺设聚四氟乙烯薄膜，实验继续进行

图19错误描述

图20 返回并纠正

图21 实验成功

（3）实施效果

经过初级版本两年的使用及现版本的试运行，本专业学生通过该系统的学习实践，有效调动了学习的积极性，既掌握了专业知识，又提升了分析、解决问题的能力，获得了学生的一致好评。

（学生交互性操作步骤应不少于10步）

实验方法描述：

实验由“战机机翼复合材料蒙皮制备”和“战机损伤构件快速修复”两个模块组成。每个模块均由学习版（学习模式）和考核版（含操作模式和报告模式）组成，具体实验方法描述如表1所示。

表1 实验方法描述

学生交互性操作步骤数：

30

学生交互性操作步骤说明：实验共涉及19个主要的交互性操作。

① 战机机翼复合材料蒙皮制备实验

交互性操作1：根据制备对象的特征，选择适合的复合材料成型工艺。选对才能进入下一步。后台将记录错误次数，并作为评分依据，请谨慎操作。 

交互性操作2：点击选择原材料。漏选或错选为“允许性错误”，可在后续操作中随时返回纠正。返回纠正的次数将作为评分依据之一。

交互性操作3：点击选择工艺辅助材料。漏选或错选为“允许性错误”，可在后续操作中随时返回纠正。返回纠正的次数将作为评分依据之一。

交互性操作4：对模具进行清理，粘贴聚四氟乙烯薄膜。漏贴聚四氟乙烯薄膜为“允许性错误”，会导致材料无法脱模，需要重新返回这一步进行纠正。返回操作将被后台记录，是评分依据之一。

交互性操作5：根据描述对机翼蒙皮的预浸料铺层数进行设计，并输入相应的铺层数。铺层数不对将得到厚度错误的结果。

交互性操作6：根据描述对机翼蒙皮的预浸料铺层角度进行设计，选择正确的铺设方式。铺设方式不对，最终将得到翘曲等错误模式的蒙皮产品，需要重新返回这一步进行纠正。返回操作将被后台记录，是评分依据之一。

交互性操作7：通过点选右侧工具包内的材料图标，依次铺放各种辅助材料。铺设顺序不对或漏掉某些辅材将导致出现无法脱模等错误，需要重新返回这一步进行纠正。铺设过程中若发现前序步骤漏选了相关材料，可返回对应环节进行补充。返回操作将被后台记录，是评分依据之一。

交互性操作8：进行密封性检查。如果不实施气密性检查，可继续进行实验，但最终将输出品质不达标的产品。

交互性操作9：根据树脂特性，输入“预固化温度”“固化温度”和“后固化温度”的数值。若输入数值不在正确范围之内，实验可继续进行，但系统将根据逻辑判断最终输出“树脂未完全固化”或“产品烧焦”等错误结果，然后要求学生分析问题所在并返回这一步进行纠正。返回操作将被后台记录，是评分依据之一。

交互性操作10：脱模，检查产品质量。根据前述步骤输出相应结果，若结果正确，则实验结束；若结果不正确，系统给出错误描述，学生需要根据描述找到问题所在。可通过点击左侧操作树快速返回对应环节，并将错误全部纠正，最后输出正确结果，实验结束。

② 战机损伤构件快速修复实验

(a) 天线罩修复实验

交互性操作11：根据天线罩的损伤特征描述，选择适合的修复工艺。选对才能进入下一步。后台将记录错误次数，并作为评分依据，请谨慎操作。

交互性操作12：原材料和辅助材料选择。漏选或错选为“允许性错误”，可在后续操作中随时返回纠正。返回纠正的次数将作为评分依据之一。

交互性操作13：根据测量得到的损伤位置的几何参数，设计修复参数，输入蜂窝厚度及预浸料层数。参数设计错误不影响实验继续，但会影响修复效果，并要求学生在非理想修复效果的基础上进行补救性操作。补救性操作将导致修复时间增加。修复总时长是评分的重要依据之一。

交互性操作14：修复操作。通过点选，依次铺放蜂窝、预浸料、脱模布、吸胶毡、真空底座、密封胶带、真空袋膜以完成操作。铺放顺序若发生错误不影响实验继续，但会影响修复效果，并要求学生在非理想修复效果的基础上进行补救性操作。补救性操作将导致修复时间增加。修复总时长是评分的重要依据之一。

交互性操作15：脱模、后处理及修复效果检测。若前述步骤全部正确，则得到理想结果，实验结束；若存在错误，得到相应错误结果及详细描述，学生需要进行补救性操作，导致修复时间大大延长。

(b) 座舱盖修复实验

交互性操作16：根据座舱盖的损伤特征描述，选择适合的修复工艺。选对才能进入下一步。后台将记录错误次数，并作为评分依据，请谨慎操作。 

交互性操作17：原材料和辅助材料选择。漏选或错选不影响实验该阶段的正常进行，但最终会导致实验失败。可在后续操作中随时返回纠正。返回纠正的次数将作为评分依据之一。

交互性操作18：修复操作。操作顺序依次为打磨断裂金属块及贴补区域、采用结构胶将断裂的金属块粘接固定，最后在表面成型碳纤维复合材料进行贴补修复。操作顺序错误则会出现金属块再次掉落等错误，需重新操作，并导致修复之间增加。修复总时长是评分的重要依据之一。

交互性操作19：脱模、后处理及修复效果检测。若前述步骤全部正确，则得到理想结果，实验结束；若存在错误，得到相应错误结果及详细描述，学生需要进行补救性操作，导致修复时间大大延长。

是否记录每步实验结果：是

实验结果与结论要求：实验报告，心得体会

其他描述：

实验报告模板如图22所示，其中前四部分为计算机自动生成，五、六部分为学生输入及老师反馈内容。第四部分记录了主要操作步骤的参考答案及学生的首次操作内容，便于学生回顾实验过程、加深对知识的理解和记忆。

本实验针对实验结果和实验过程进行综合评定，考察学生掌握知识以及分析和解决问题的能力。首先，实验结果若错误，则直接判为不及格。然后，实验结果正确的前提下，最终分数由操作得分和实验报告得分构成。操作得分（百分制）占总分的90%，由机器直接判读；实验报告得分（百分制）占总分的10%，由授课教师评价。

表2 本虚拟仿真实验教学项目考核内容

操作得分的机器判读逻辑如图23所示。扣分标准为：

（1）不可进行性错误：纠正1次后操作正确，扣该操作分值的20%；纠正2次后操作正确，扣该操作分值的40%；纠正2次以上的，扣该操作的全部分值。

（2）允许性错误（即：发生错误后不影响当前实验继续进行）：纠正1次后操作正确，扣该操作分值的10%；纠正2次后操作正确，扣该操作分值的20%；纠正2次后操作正确，扣该操作分值的40%；纠正3次以上的，扣该操作的全部分值。

图23 机器评分逻辑

教师判读实验报告时重点从学生提出的问题和心得体会中考察学生思考的深度。评价结果分优秀（100分）、良好（80分）和一般（60分）三个等级。

表3 实验交互性操作与结果考核表         

专业与年级要求：

武器系统与工程、材料科学与工程；本科大三、大四年级。

基本知识和能力要求：

具备一定的高分子复合材料的知识基础，了解材料基本组成和材料成型基本原理。建议预先学习MOOC课程《复合材料设计与成型》。

本校上线时间：

2018-08-01

已服务过的本校学生人数：80

是否纳入到教学计划：是 

所属课程教学大纲： 

http://www.ilab-x.com/file/view?id=21777

近两年已完成的教学计划或授课提纲：

http://www.ilab-x.com/file/view?id=21778

http://www.ilab-x.com/file/view?id=21779

是否面向社会提供服务：是

社会开放时间：2019-03-01

已服务人数：150