航空發動機強度與振動教改探討

胡曉安 丁相玉

摘要：本文分析了航空發動機強度與振動課程的特點，結合我國發動機自主設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。通過將授課內涵從傳統以理論公式推導的分析模式，轉變為以結構應力分析、結構優化、材料選材、減重以及強度準則為核心內涵的設計模式，從而培養學生多學科交叉思維。由于在授課過程中融入了現代航空發動機設計行業背景，并將解決問題作為突出導向，輔以專用和通用軟件，使得死板的理論推導課提升為實用性、創新性、多學科性的綜合講解和實踐，提高了課堂教學質量。

關鍵詞：航空發動機；強度；教學；多媒體

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）48-0096-02

航空發動機強度與振動是飛行器動力工程專業必修課。該課程以轉子葉片、輪盤、軸等旋轉部件為主要研究對象，講解轉子葉片和輪盤的靜強度和振動、盤-軸臨界轉速的計算方法。由于我國航空工業是在蘇聯的援建下逐步發展起來的，航空發動機強度與振動教材也沿用了蘇聯教材，如斯庫巴切夫斯基編寫的《航空燃氣渦輪發動機零件結構與計算》[1]。改革開放以后，北航宋兆宏[2]和西工大呂文林[3]兩位教師分別編寫了教材，并投入使用至今。由于過去我國采用仿制仿研蘇聯發動機的思路，而這類教材較好地滿足了二、三代航空發動機結構強度人才的培養需求，教材所涉及的方法和提供的程序，甚至可以直接用于對航空發動機零部件強度和振動的分析。

現代航空發動機結構緊湊，形狀復雜，且與總體、傳熱、氣動等多學科存在強非線性交叉，使得設計約束空間極為復雜，簡單采用正向分析不可能達到設計要求。隨著先進動力裝置自主研制需求，傳統上已設計好的結構分析不適應時代需求，迫切需要在人才培養環境上注重反設計和創新。為此，本教學團隊在參與多項重大科研項目累積素材和案例的基礎上，針對傳統教學弊端，提出了綜合題目設計、理論知識與專用/通用軟件相結合以及工程問題啟發的思路，對該課程的教學內容和模式進行了教學改革。

一、以設計題為牽引

傳統上，教師利用板書或者多媒體進行教學，通過將發動機典型結構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。以葉片強度分析為例，授課過程涉及發動機結構、葉輪機械、材料力學、理論力學等先修課程，難度很高，不利于學生對基礎力學知識的深刻掌握。為此，在傳統教學基礎上，針對發動機強度與振動教授過程過于強調理論推導的教學方式，設計一些以實際問題為導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，使得學生掌握等厚輪盤徑向應力和周向應力分布規律。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、環形等結構形式存在，需要進行分段積分計算。為了簡化計算過程，課程設計中加入了有限元計算方法，從而可以使學生能在掌握解析方法的基礎上，對照數值模擬結果，增強解決問題的能力。同時，由于輪盤設計參數較多，有中心孔厚度和直徑、盤外緣直徑、輻板厚度、倒角等特征，所設計的綜合題目需要利用本課堂傳統理論知識和其他學科知識進行輪盤設計。為此，我們設計了“航空發動機渦輪盤強度設計”綜合題進行專題授課，包含以下步驟：（1）輪盤總體參數確定方法，與航空發動機整機性能、結構布局相關。例如，盤緣切向速度決定了發動機做功能力，但又與輪盤整體應力水平密切相關。（2）輪盤結構設計中，存在多個影響強度的關鍵結構參數。為此，設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對輪盤應力水平和重量的影響，讓學生自主設計目標函數，包含應力、安全系數、重量等權重的綜合考慮，給出分析結果，發揮主觀能動性。（3）復雜結構設計中對材料的選擇，是我國高等工科教育的薄弱環節。對于航空發動機，通常仿制過程中已獲知了結構材料，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動機結構設計中，所培養的工程人員經常不能合理選擇材料。為此，在發動機渦輪盤強度設計綜合專題，評述不同溫度、載荷下對不同材料性能的指標要求。

通過以上教學環境的改進，逐步把傳統分析為主的教學模式轉變為將強度分析過程僅作為設計的重要一環，緊密結合工程實踐需要，將教學過程拓展為包含結構總體和局部設計、材料選擇、應力分析、強度評價等諸多設計環節模式，以“設計”取代傳統“分析”作為教學驅動力。

二、理論知識與專業軟件/通用軟件相結合

航空發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合，使學生感受到計算機輔助設計的魅力。

此外，單靠課堂上的理論公式推導以及案例講解難以引起學習興趣，利用所學知識對發動機轉子零件幾何外形、載荷等參數進行設計目標的影響規律分析顯得尤其重要。我們借鑒了美國辛辛那提大學專門為發動機結構優化教學開發設計的Taxi-Disc和Taxi-blade等教學軟件。以輪盤強度為例，通過該軟件，預設輪盤基本幾何約束條件、應力準則，可以設計并優化不同目標時的輪盤外形，提高學生的學習熱情和課堂參與度。

三、工程問題啟發式教學

航空發動機結構強度與振動對象極為復雜，力學基礎要求很高，公式推導繁復，采用傳統教學模式，教授過程十分枯燥乏味。學生不能從所學知識中體會到解決問題的快樂，更多的是一種應付考試的心態，達不到用心學習的目的。解決這一問題的核心，就是要設置更多的啟發式問題。為此，收集了一些國內外發生的事故案例，并與發動機設計所、維修廠等進行溝通，尋找發動機典型結構件在設計過程中考慮的因素以及服役過程中存在的關鍵問題，突出從已經發生的慘痛飛行教訓中引導學生思考。例如，在進行輪盤強度教學時，以美國1989年蘇城空難發生的輪盤微小缺陷引起的事故進行提問教學，綜合運用所學知識，從缺陷位置、應力水平估計、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，引導學生分析葉片振動模態，增加學生解決實際問題的滿足感和成就感，體會學習樂趣的同時，提高學生的綜合素質和解決問題的能力。

四、小結與建議

航空發動機結構強度與振動是一門理論性、實踐性、綜合性都很強的專業課程。隨著國家對航空發動機設計自主研制的迫切需求，采用傳統教學方法不能滿足綜合性、高素質人才培養的需要，提出課程教改措施勢在必行。因此，我們提出要將傳統枯燥乏味的推導、已有簡化結構分析為主的教學模式，轉變為融合傳統分析的同時更加注重學生對結構總體布局、細節尺寸設計要求、結構應力分析、優化與減重、材料選擇等諸多方面均貫徹啟發式的強度與振動理念，并輔以專用或通用軟件進行航空發動機結構的強度振動分析對比和設計，達到實用型、綜合型、創新型的人才培養目標。

參考文獻：

[1]斯庫巴切夫斯基.航空燃氣渦輪發動機零件結構與計算[M].國防工業出版社，1992.

[2]宋兆宏.發動機強度與振動[M].內部，1988.

[3]呂文林.航空發動機強度計算[M].國防工業出版社，1988.

Abstract：The features of the course of aero-engine strength and vibration are analyzed. Based on the background of autonomous design of engines，teaching reform measures for the course has been proposed. Through the transition of teaching model from traditional theoretical formula leading to design driven including structure stress analysis，structure optimization，material selection，weight loss and strength criterion，the students' interdisciplinary thinking has been cultivated. Because modern aero engine design background is integrated during the teaching procedure，and the solution of the problem is treated as a prominent orientation supplemented by special and universal software，the rigid theoretical deduction course has been promoted to a comprehensive explanation and practice of practical，innovative and multidisciplinary. The quality of teaching class has been improved.

Key words：aero-engine；strength；teaching；multimedia