实验教学目标

• 实验教学目标

  本虚仿实验的教学目标包括：
  （1）学生通过知识库学习和虚仿实验互动操作，掌握设计选材、原料准备、毛坯成型、进罐固化、出罐脱模五大环节聚合物基复合材料热压罐成型工艺全流程的理论知识和实验技能。
  （2）学习热压罐工艺制备复合材料的各工序的工艺规范，深入探究预浸料储存期、预浸料叠层对称性与均衡性、叠层预压实、工艺制度、模具方案等因素对复合材料制件成型质量的影响，领悟工艺实施操作对保证复合材料制件质量的关键作用。
  （3）学习热压罐系统的工作原理，掌握常用工艺辅助材料的特点与作用，明晰热压罐工艺参数设置及其对成型过程复合材料内部物理化学迭代作用机制及成型固化质量的调控作用，通晓热压罐成型工艺参数优化方法。
  （4）学习纤维铺层方向、聚合物基体工艺特性、预浸料性能指标对复合材料工艺设计的影响作用，融通理解设计-选材-制造-评价复合材料4要素之间的关联机制。有助于学生形成系统深入的专业知识体系，培养其解决复杂问题的综合能力和高级思维。

  
  

实验原理

• 实验原理

  （1）实验原理：

  聚合物基复合材料的热压罐成型工艺是将铺叠好的预浸料毛坯连同工艺辅助材料用真空袋密封在模具上，并置于热压罐中，利用热压罐系统的高温压缩气体对其进行加热加压，同时完成热固性聚合物基体的固化成性和复合材料制件的成型。要科学合理地制定工艺方案、优化工艺参数，须深入领悟工艺过程所涉及到的热物理/热化学变化、热力耦合作用，及其与工艺条件之间的关系。其中主要包括：热传递、固化反应、树脂流动/纤维密实运动、气体渗透排出、热变形、内应力等作用机理。若工艺条件不合理，工艺过程控制不当，最终复合材料制件会产生孔隙、分层、纤维分布不均、固化变形、尺寸超差等问题。

  热压罐工艺实施条件包括两个层面。首先是工艺参数设置及优化，包括：温度、压力（气压和真空度）、时间，也常称为工艺制度。其次是实施工艺方案，包括：模具方案、工艺辅助材料的使用、制件结构的工艺分离面、预浸料毛坯间的组合和固化方式等。对应于本科生的教学目标，本虚仿实验侧重基础性的工艺参数设置及优化。其他工艺条件实施方案，则更适于复合材料新制品研发或新工艺研究，对应于研究生教学和专业技术人员培训的教学需求。
  

  虚仿实验以适于手工铺贴的大型客机机翼复合材料蒙皮为实验对象，针对其热压罐工艺全流程设计了11个实验情景，涵盖原材料选用、预浸料铺叠、封装打袋、进罐固化、出罐脱模五大环节。软件不仅通过虚拟现实技术将实验场景设置于现代化的复合材料制造厂房，构建了实验所需的先进设备、配套设施、材料，以及互动实验操作。而且利用 “先进树脂基复合材料制造模拟与优化技术”为推演系统，对固化过程复合材料内部温度场和压力场进行实时原位仿真，进而预报制件成型质量，实现了工艺过程复合材料内部微观变化与机理的直观呈现。其工艺操作过程的仿真度达到90%以上，切实解决了线下实验遇到的各种困难，架起宏观与微观之间的桥梁，提升学生的直观感受，激发对复合材料的学习兴趣，这是虚仿实验技术的优势。

  

  图3 虚仿系统中复合材料制造车间和实验场景

  

  图4 预浸料自动裁切和工艺用模具

  

  图5 虚仿系统中的热压罐3D模型与设备实物

  
  

  知识点：

  共 6 个

  1. 1. 复合材料的结构可设计性及纤维铺层方向对性能的影响

  2. 2. 聚合物基体工艺特性对复合材料成型固化过程的决定性作用

  3. 3. 预浸料的性能指标及其对复合材料制造质量的影响

  4. 4. 热压罐工艺辅助材料的种类与作用

  5. 5. 热压罐系统的工作原理、组成部分及作用

  6. 6. 热压罐工艺中真空、温度、压力对复合材料制造质量的影响

  （2）核心要素仿真设计：

  聚合物基复合材料的热压罐成型工艺虚拟仿真实验的教学目的注重引导学生通过工程实践学习、理解和应用基础知识。该软件基于三维开放式场景，采用第一人称视角，构建了实验所需的厂房、设备、配套设施、材料等3D模型，实现虚拟互动操作。系统参照航空复合材料现代化厂房布设结构与功能区，实验对象选取适于手工铺贴的1:1的大型客机翼梢小翼复合材料蒙皮为目标制品，构建复合材料典型制件的热压罐工艺全流程。特别以获得国家科技进步二等奖的“先进树脂基复合材料制造模拟与优化技术”为基础，将工艺过程封闭高压环境的微观变化可视化，方便学生在工程实践的基础上学习知识、应用原理。
  具体而言，首先根据受力和服役要求，设计选择复合材料的铺层形式和材料体系；预浸料存储于冷库中，操作者可执行拾取、开封等操作；预浸料裁剪环节高度还原自动下料设备和操作；铺叠与封装打袋环节，可在模具上执行预浸料铺叠和辅助材料铺放操作，并依据指令剥离预浸料隔离膜、铺贴、预压实等；进罐固化环节，需连接真空管路、热电偶，在设备控制面板设置工艺参数。基于虚仿实验操作和计算机模拟技术，透视化实时显示热压罐流场、复合材料内部温度场等信息，并对成型质量进行预报。

  
  

实验教学过程跟方法

• 实验过程与实验方法

  （1）实验教学过程
      本课程采用“1+2+4”整体教学思想，如图6所示，通过1套虚仿系统，知识学习和实验操作2个环节，加深学生对设计-选材-制造-评价复合材料4要素的知识融通理解和运用。在实验教学实施过程中首先对先进聚合物基复合材料的热压罐成型工艺进行基本知识讲解。经注册登记后，可点击“进入网页版实验系统”或点击“客户端实验系统下载”先进聚合物基复合材料热压罐成型工艺虚拟仿真实验执行文件。推荐采用下载版运行虚仿实验系统，其流畅性和稳定性等用户体验更佳。
  
  图6 复合材料热压罐成型虚仿实验整体思路
  学生可通过认知体验和考核测评两种模式，学习翼梢小翼复合材料蒙皮的热压罐成型工艺全过程。其中认知体验模式会对虚仿实验各环节给出相关知识提示，考核测评模式则只给出必要的工作条件。具有系统深入专业知识的同学，可跳过认知体验模式，直接进入考核测评模式完成虚仿实验。学生完成实验后，系统将根据学生的操作记录自动生成实验报告，学生的实验心得和改进意见可一并写入报告。学生若通过网页端进行实验，需要在成绩页面将实验结果截图保存，制作成PDF并上传至报告中心。若采用PC客户端进行实验，实验结束后在成绩页面点击按钮会自动生成实验报告的PDF文件，并将PDF文件上传至报告中心。最后教师可针对相关课程分组下所有学生的虚仿实验报告进行操作记录分析和成绩统计，以此调整教学计划，提高实验教学质量。
  图7 虚仿实验系统下载页面及典型课程分组情况
  （2）实验方法
  学生运行先进聚合物基复合材料热压罐成型工艺虚仿实验系统后，可首先通过认知体验模式对复合材料现代化制造厂房和实验所用到的设备原理、原材料、辅助材料、模具、工艺理论知识、工艺规范等进行学习，通过全流程的虚仿实验交互操作，可学习体验翼梢小翼复合材料蒙皮热压罐成型中的所有工艺环节。系统将对每一环节学生的实验操作进行必要的知识提示和操作提示。在考评模式下，学生首先根据翼梢小翼复合材料蒙皮的服役要求确定实验采用的材料体系，在后续预浸料选取、预浸料铺叠、封装打袋、进罐固化、出罐脱模等环节，系统中有实验任务说明以备随时查看，不再进行操作提示和知识提示。对于实验可能触发的相关安全事项，系统仍会进行提醒警示。
  结合实验教学目的，学生应对热压罐成型工艺全流程点击规范的交互操作步骤，在设定好工艺参数条件下，系统将利用“先进树脂基复合材料制造模拟与优化技术”作为推演系统，透视化显示了成型过程高压封闭空间中的气体流场与复合材料内部温度场，并向学生反馈与操作相匹配的制件成型质量数据。为实验宏观现象与微观变化机理之间架起桥梁。最终系统根据学生的操作记录和模拟分析给出的复合材料制件固化质量，给出学生的实验成绩和评价。