航空发动机结构与强度课程设计思考论文

航空发动机结构与强度课程设计思考论文（共6篇）

篇1：航空发动机结构与强度课程设计思考论文

一、航空发动机构造与强度课程设计的作用

对于飞行器动力工程的学生，航空发动机构造与强度的课程设计显得尤为重要。课程设计的重要性主要体现在航空发动机构造和强度课程的特点。实践性是航空发动机构造与强度课程最显著的特点。本课程研究的是实际发动机的结构及其强度，从表面上看，内容简单、易懂，理论性、系统性不强。但是要学生自己分析，则往往无从下手，特别是碰到实际的结构分析、结构设计更是束手无策。因此，通过课程设计这个教学环节，完成航空发动机某一结构的设计，起到加深对课堂教学内容的理解，实现理论向实践的转化，巩固理论知识的重要作用。航空发动机构造与强度课程的第二个重要特点是多学科综合的特点。实际的航空发动机结构是一个容纳多学科的、相互渗透的、具体的统一体，一个发动机具体结构的诞生是多学科综合的结果。即使一个简单的叶片结构设计都涉及到气体动力学、传热学、弹性力学、疲劳与断裂力学、有限元分析方法等等。因此本课程的教材涉及的内容多，知识面广，几乎包括了所学过的所有课程。总体上看显得内容繁杂，没有系统性和规律性。这给学生的学习带来了困难。而在完成课程设计的过程中，学生需要综合运用《航空发动机构造》、《航空发动机强度计算》等专业课程以及《弹性力学》、《有限元分析方法》、《机械制图》等专业基础课程的知识，需要查阅国家标准、材料手册等相关资料。因此，航空发动机构造与强度课程设计作为航空发动机构造与强度课程的后续教学环节，起到了提高学生综合运用相关专业课程的能力、加深对航空发动机构造的与强度认识和理解的重要作用。综上所述可知，课程设计作为大学实践教学环节的组成部分，是实现理论与实践相结合的重要环节。而航空发动机构造与强度课程设计，由于航空发动机构造与强度课程的实践性和多学科性的特点，其课程设计对于提高学生的综合运用学科的能力以及加深对课程的认识和理解尤为重要。

二、工科相关课程设计的研究进展

美国麻省理工学院提出了高等工科教育要“回归工程实践”的教育理念。在《中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》中，明确提出以培养学生的创新精神和实践能力为实施素质教育的重点。清华大学老教授容文盛指出课程设计作为大学某一课程的综合性教学实践环节，它不仅仅是理论教学的辅助环节，而是全面培养学生必不可少的组成部分。因此，如何更好地开展课程设计实现培养高素质人才的目标成为各大高校教师积极探索和思考的问题。西南交通大学的鲁汉清教授提出要发挥课程设计的优势提高学生的综合素质和能力，在课程设计中要注意处理好以下几个关系：

（1）人文素质和工程素质的关系。工程素质是工科学生课程设计培养的主要目标，鲁教授提出工程素质是与人文素质不可分割的，借助课程设计，树立起学生老实做人、严谨治学的思想，为工程素质的培养打下良好的基础。

（2）知识、能力与素质教育的关系。鲁教授提出在课程设计的过程中可以通过以下两个途径促进学生的知识、能力与素质教育的协调发展：第一，设计题目的设置向产品设计的方向靠拢，让学生接受真实产品设计的完整过程的训练和熏陶。第二，计算机模拟和实物讲解相结合，计算机模拟的最大优点是可以进行设计结果的快速仿真分析，实物讲解可以直观地提供设计结果。课程设计可以充分利用这两种方法的优点，从中培养学生动手（计算机操作与实物组装）能力。东南大学开设的“数字系统课程设计”作为东南大学开放式、因材施教培养学生创新思维的成功范例其教学方式非常值得借鉴。首先通过具体案例讲授相关知识、设计方法和项目实施管理的要求。随后选题，要求学生自主构思设计项目，激发学生的自主创新意识，教师通过2周的时间与学生交流确定课题项目。在项目的实施阶段，老师通过多种形式答疑。在项目完成后，学生撰写项目设计总结包，针对课程设计项目实践过程中如选题背景意义、项目设计规划、核心问题分析、解决思路、理论计算仿真、得失分析展望等主要问题对课题进行总结。最终进行验收答辩。整个过程，授课、研究、讨论、设计和实践紧密结合。除此以外，课程设计的综合化和规范化也值得指导老师的注意。课程设计的目的是对学生进行阶段性知识从理论向实际应用进行训练，实现理论联系实际、向实践能力转化的初步训练，因此课程设计的内容应具有一定的综合性。同时为了保证课程设计的教学效果，应当明确课程设计具体任务，制定明确的课程设计教学大纲。课程设计题目及内容的深度、广度和难易度要适当，注重理论联系实际。

三、航空发动机构造与强度课程设计教改思考

首先，教改重点之一改革设计内容，注重学生素质培养。现有的两种课程设计内容各有弊端，以部件为对象开展课程设计不足之一在于：工作量较大，学生难以保质保量完成，导致最终敷衍了事；以零件为对象开展课程设计不足之一在于：课程任务量较小，任务相似，而且不利于学生加深对航空发动机构造的整体认识和综合知识运用能力的提高。这两种设计内容共同的不足之处在于学生发挥创造性的空间较小，不利于学生综合素质的培养。拟采用分组的形式按部件给定课程设计任务。以航空发动机的转子部件设计为目标，高、低压气机及高、低压涡轮组件进行分组设计，按照小组的形式进行课程设计。对于给定的部件，要求分工明确，即任务分析、资料查阅、设计、分析、绘图、答辩、设计资料整理等工作由项目小组长指定或抽签确定，保证每个同学在项目的工作过程中从事不同的工作。其次，改革设计手段，加强计算机技术的应用。随着计算机科学技术的迅猛发展，计算机CAD/CAM/CAE等工程设计软件以及ANSYS、ABAQUS等有限元分析软件已经成为航空发动机设计人员不可或缺的设计工具，Excel、MATLAB和origin等数据处理和图表绘制软件也成为工程时必须掌握的工具软件。在课程设计中鼓励学生运用各种工程软件，使设计过程从二维的纸面跃入三维的空间，使学生更加深入理解设计的内涵，增强学生的设计想象力，有利于克服学生空间想象力不足和缺乏工程实践经验的不足，对于提高学生积极性，加深学生对实体结构的认识具有重要的作用。此外，在课程设计中提供计算机应用的实践机会，使学生的计算机知识与专业知识相结合，有利于提高学生的综合能力。第三个研究的重点在于编写课程设计指导书。对于大多数的本科学生而言，初次面对工程性、实践性较强的课程设计的题目，往往无从下手，因此制定课程设计指导书对于学生尽快进入设计状态，提高课程设计教学效果具有很大的作用。同时在指导书中明确课程设计的总结报告格式与要求、课程设计评定方式，同学们可以根据课程设计指导书明确课程设计的目的和要求，以提高课程设计的规范性。

篇2：航空发动机结构与强度课程设计思考论文

针对“航空雷达和通信原理”课程特色，面向学员的任职岗位，从教学目标、内容、方法三个方面对本课程的教学进行设计。实践证明，正确的教学思路是强化教学效果的重要支撑，为今后的课程教学提供参考。

新装备的技术含量的提高和所用理论的丰富，对维护人员的素质提出了更高要求，这就要求专业课程培训的学员既要有丰富的理论知识，又要有较强的动手能力，更应具备一定的信息应用能力。目前学员在校学习的理论课时减少，实践课时增多，特别是专业课的学习，要求在较短的时间内完成较之以前更多的理论及维护知识，这势必要求课堂上理论课信息量要大，效果要好，同时要教给学员信息获取、筛选的方法。在此情况下，保证课程教学质量一个重要的措施就是教员要对课程教学进行精心的设计，保证教学目标的实现。如何搞好课程教学设计?不同课程、不同对象、不同教员有不同的方法。结合“航空雷达和通信原理”课程的教学，我试谈谈如何搞好教学设计。

一、明确教学目标

教学目标是学员通过课程学习，在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面应达到的预期效果。由于“航空雷达和通信原理”是一门关于航空雷达和通信系统的基本原理、基本方法及其工作过程的课程，是大学专科士官相关专业的一门任职岗位课程，因此教学目标就是了解航空雷达和通信的基本概念、雷达和通信系统的基本组成;理解雷达和通信系统的基本工作原理;熟练掌握雷达对目标的距离、方位和速度的测量原理、实现方法及各分系统的工作特性;熟练掌握各种模拟调制和数字调制方式的原理、实现方法及特点;初步掌握航空雷达和通信装备在现代战争中的作战使用方法;初步涉入雷达对抗和通信对抗作战基本知识;牢固树立信息化战争观念，为后续课程的学习及进入部队后能胜任本职工作奠定坚实的基础。

二、重组教学内容，突出主线

在教学过程中，如果要求学员在有限的时间内不分轻重地接受大量的理论知识，那么只能是囫囵吞枣。所以在教学内容的设计上，必须突出重点，让学员获取最有价值的信息，遵循层层推进、逐步深入的.原则，将教学内容设计为“两大模块、两条主线”。

课程内容采用模块化设计，划分为航空雷达模块和航空通信模块。其中以雷达概述、雷达的组成和雷达对目标参数的测量构成航空雷达模块，以通信概述、军事通信及信道技术、模拟调制系统、数字调制系统和模拟信号的数字传输构成航空通信模块。

航空雷达模块以“雷达的基本功能—基本组成—基本工作过程—对具体参数的测量”为主线，航空通信模块以“通信系统的基本功能—基本组成—基本工作过程—调制与解调”为主线。两条主线由浅入深，侧重学员对雷达参数测量及通信系统调制与解调内容的理解和掌握。同时精心收集航空雷达和通信系统在现代战争中的作战使用案例，力求把基本理论与装备紧密结合起来，丰富主线内容，深化学员对航空雷达与通信装备作战使用能力的理解与掌握。

三、合理使用教学方法及手段

本课程的基本教学方法是理论讲授和专题研究相结合，充分利用现有的教学装备和专业网站开展教学，具体思路如下：

(一)在教学方法上，以研讨式教学为主，多种教学方法并用

课程教学应广泛开展研讨式教学，强调教学、学学互动，将案例教学、讨论教学、问题教学、启发教学等优秀教学方法应用于教学过程之中，将雷达与通信的最新技术研究成果、学术前沿理论穿插于教学内容之中。通过教学互动，激发学员分析和思考问题，将创新思维及信息化作战观念的培养贯穿于教学活动之中。

(二)面向学员任职岗位开展专题研究

专题研究以岗位任职需求为导向，以专题为形式，以解决问题为目标，以教员为主导，以学员为主体，在教学过程中通过专题研究活动，帮助学员转变观念、获取知识、深化理解、掌握科学研究技能的现代教学方法。

本课程将引导学员针对航空雷达和通信装备使用及如何增强装备的抗干扰能力等方面的内容开展专题研究活动，既培养了学员的科学研究能力，又为提高学员电子对抗装备作战使用能力奠定了基础。其实施的过程包括确定研究题目、撰写研究报告、汇报交流讨论等基本环节。

(三)使用多种教学手段，加深对抽象内容的理解

由于本课程是一门理论讲授课程，教学内容抽象且不易理解。为了加深学员对抽象内容的理解，在教学中应充分利用现有的教学装备和信息资源，通过综合运用计算机多媒体、软件模拟仿真、网络教学等现代化教学手段，根据每次课的教学需要，有针对性地合理选用具体的教学手段，有利于开展研讨式教学，激发学员学习兴趣，增加教学信息量，增强教学效果。例如：利用虚拟电子对抗作战实验仿真等手段，开展对雷达的工作过程及结果显示、通信过程及调制与解调的实现等部分内容的观摩实验教学，以加深学员对这些抽象内容的理解。

(四)充分发掘信息资源，着重信息技术的利用

篇3：航空发动机结构与强度课程设计思考论文

课程是任职院校构建人才培养体系的基本单元, 也是人才培养过程的基本载体。课程教学设计是对教学实施的系统构思, 通过教学设计将现代教育理念、现代教育技术与任职教育实践结合起来, 对于保证教学活动的顺利进行, 提高教学的质量有着至关重要的作用。

只有优化教学设计, 才能形成人才培养优势, 鼓励优秀军事人才脱颖而出。

因此, 任职教育的课程教学设计化必须以现代教学理念为指导, 突出任职教育特点, 达到改善认知结构、培养任职能力、提高综合素质的目的。

1 任职教育的内涵和特点

任职教育主要是“上岗”前的培训, 是以职后教育为基础, 以岗位任职需求为牵引, 以能力培养为本位的教育。从一般意义上讲, 任职教育是以解决任职所需的知识、以能力培养为本位的教育。

从一般意义上讲, 任职教育是以解决任职所需的知识、能力、素质为目的的教育[1]。军队院校的任职教育, 是指军官或士官在完成基础学历教育的基础上, 为适应岗位逐级晋升需要而进行的逐级职业教育。

任职教育的特点主要有以下五个方面[2]:

一是应用性。任职教育在使学员全面系统掌握理论和专业知识的同时, 强调实践应用, 突出培养解决任职岗位所需要的能力素质。

二是职业性。任职教育要求学员全面掌握军事理论知识和专业技能, 融研究、职业、学习于一体, 属于比较综合的高智力脑力劳动。

三是综合性。任职教育在培训过程中强调以实践为基础消化理论, 以操作为中介发展能力, 以服务部队为宗旨促进军官职业道德的形成。

四是实践性。任职教育培养相应的岗位工作能力, 这种实践能力的性质只有通过实践性教学才能达到目的。

五是全面性。现代信息化战争是一种一体化全方位的战争, 所以必须从总体上加以考虑, 要求综合合成的能力。

2 课程教学设计的优化策略

2.1 强化基础学情分析找准教学设计的出发点

任职教育中学员是学习、认识、发展的主体, 以学员的知识水平和任职岗位需求为出发点, 来确定和开展教学活动。但任职学员从事的岗位类别各异, 任职经历各不相同, 学历也存在差异, 所以, 在开课前应全面了解并分析学员的已有的知识基础、技能基础、岗位类型、学习兴趣、学习动机等情况, 进而结合学员自身素质和学校的教学条件选择合理的教学策略。

采用的分析方法主要有:设置专题调研, 掌握培训目标的岗位职责、专业需求、业务范围、履职现状和部队当前的建设任务;发放调查问卷表, 详细了解每个学员的受训简历、任职经历和个人发展需求;组织行教联系或者教学座谈, 重点了解学员的学习兴趣和学习动机, 提高教学的针对性;查阅人才培养方案和相关课程的成绩, 与其他课程教员进行有效沟通, 了解学员是否具备学习新课程的条件, 以便决定教学起点先行课程基础;借助网络或其他通信方式丰富学情资料的来源途径。

此外, 还应该在授课过程中及时了解学员对某一单元或某一节课学习内容的具体准备情况, 可以通过测验、观察、询问等手段分析学员的情况。

2.2 优化教学内容找准教学设计的基本点

2.2.1 处理好三维目标

进行教学设计前, 必须认真研读《课程标准》, 明确《课程标准》所承载的课程理念及“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”这三个维度的具体教学目标。这三个教学目标体现了任职教育中课程的教学不只是为了提高学员的基础知识和基本技能, 而且要使学员在学习中, 获得解决问题和分析问题的方法, 具备任职岗位的应用技能, 树立勤于思考、严谨求实的工作作风。

2.2.2 组织好教学内容

如何设计好课程的教学内容是课程教学设计中一个关键问题, 解决这一问题要从以下几个方面着手:

(1) 正确把握教学内容的量与度, 也就是要明确教学内容范畴和程度。例如:对于《飞机结构强度》这门课在进行教学内容设计时, 鉴于飞机型号繁多, 不能一一详加介绍, 所以授课过程中, 在兼顾其它机型的基础上, 分析具体结构时, 应以某型飞机作为主要研究对象。并对课程内容进行精选、压缩和整合, 根据培养需要从“广而博”的知识中选择、重构“少而精”的教学内容。

(2) 正确把握教学内容和教材的关系。教学内容集中体现在教材中, 但教材的编写往往注重知识的逻辑结构, 难以更多顾及学员的认知结构。所以, 应根据教学目标的要求, 结合学员的实际水平, 对教材进行再加工, 进行取舍、补充、简化, 组织好知识要点。例如:士官学员和生长干部学员, 层次不同, 教学目标不同, 因此, 在教学内容也有所区别。

(3) 正确把握理论教学和实践教学的比例。实践课内容需精心选择, 做到重点突出, 符合任职教育的岗位指向性特点。但是理论教学也不应忽视, 因为扎实的专业理论知识是系统掌握装备和实际操作技能的基础, 否则到部队后往往会造成只知其然而不知其所以然, 真正遇到新问题就会无从下手解决, 这对全面提高学员的岗位任职能力是不利的。

2.3 丰富教学方法找准教学设计的关键点

教学有法, 教无定法。教学方法是指在教学过程中, 为完成教学任务所采用的手段和途径。教学方法极为丰富多样, 但没有任何一种方法是万能的。在具体操作过程中, 要针对学员的特点和学科规律, 采取一些有效的措施, 进行个性化的教学设计, 弹性化的教学设计。

叶澜指出:在教学过程中要强调课的动态生成, 要求教学方案的设计应“着眼于整体, 立足于个体, 致力于主体”, 重在大环节的策划上, 让过程的设计具有一定的弹性, 为学员参与留出足够的时间与空间, 鼓励学员主动探索、大胆质疑, 让师生在互动中实现智慧的碰撞、情感的交融和心灵的沟通, 使课堂成为一个有丰富内涵的个性舞台。

开放式的教学设计, 让学员自己发现问题、分析问题、解决问题。改变传统的教学模式, 摒弃单调、生硬的一面。组织开放性教学, 教员要把握好教学内容, 激发学员学习的积极性, 由于任职教育院校的学员以前所任职的岗位和经历等各异, 充分考虑学员之间在专业技能上的特点和差异, 为学员充分发挥特长, 分享岗位经历提供平台和机会, 积极为学员创设开放的学习氛围。

《飞机结构强度》教学设计中, 就充分利用学员维护机型的不同, 以机型的作为分组前提, 让学员根据课程内容安排以“小导师”的方式, 分享其经验和自学所得。

以人为本的教学设计, 要优化课堂导入, 重视诱发学员的情感, 激发学生学习的兴趣。《飞机结构强度》课程设计中加入了大量的航空历史故事, 让学员明白飞机结构强度研究内容的不断扩展与无数航空先驱们的牺牲与奉献密不可分, 既激发学员的学习兴趣, 也激发他们对机务岗位的热爱。

此外, 在教学过程中注重贯彻“启发式”的教学思想, 强化学员的主体地位, 使用案例式、研究式、自主式和讨论式等方法, 促进学员创新能力的培养。

2.4 完善教学资源找准教学设计的着力点

教学资源是指一切可用于教学的物质条件、自然条件以及社会条件的综合。它所包含的内容非常广泛, 分为数字化教学资源概括成媒体素材 (如演示文稿、图片、动画、视频等) 、集成型素材 (如虚拟仿真软件、技能评测系统) 、网络课程三大类[4]。

借助媒体素材, 以丰富的表现形式、生动的视听觉效果, 来解决传统教学方式不能解决的或者不易解决的重难点问题, 以增强教学效果, 最大限度地发挥学员的潜能, 提高教学质量。

《飞机结构强度》课程经过三年的建设, 现已制作、收集和整理各种媒体素材10个多G, 对教学质量的提高起到了重要作用。

利用高智能的集成型素材, 发挥计算机虚拟现实技术、模拟仿真技术的优势, 通过仿真的方式真实的展现装设备的构造和组成, 使抽象问题形象化, 复杂问题简单化, 加强学员理解, 发挥学员学习的积极性和创造性, 提高教学效率和质量, 同时可以使学员提前体验“岗位”, 拓展实践教学的物空限制。

《飞机结构强度》在课程中, 虚拟的三维飞机仿真模型的应用, 加深了学员对复杂理论知识的理解;贯穿其中的有限元软件知识介绍, 以及对各构件的受力的建摸分析, 既拓宽了学员的视野, 也加深学员的理解。

网络课程资源极大的丰富了教学信息资源, 通过课程网站的建立, 为教学提供了网络支撑环境特, 即为学员提供数字化学习平台, 又在教员和学员之间架构了崭新的互动平台。

3 结束语

课程改革是当前任职教育教育改革的核心任务之一, 深化任职教育课程教学改革必须针对任职教育的特点, 以岗位需求为出发点, 以职业能力和职业素质培养为核心, 探索优化课程教学设计的方法, 重点要对学情分析、教学内容、教学方法、教学资源和考核评价方式等加以改进、创新, 才能建立起适应军校任职教育的教学体系。希望本文能对军校任职教育教学改革有所裨益。

摘要：本文从学情分析、教学内容设计、教学方法、教学资源和教学评价等方面, 就如何优化任职教育课程设计进行了探讨, 力求为任职教育课程改革提供借鉴。

关键词：课程教学设计,任职教育,教学方法,教学资源

参考文献

[1]李元奎, 马立峰.任职教育研究[M].北京:海潮出版社, 2005.

[2]孙厚钊.军校任职教育中教学设计的理论与实践研究.海军工程大学学报<综合版>, 2008, (9) .

[3]姜璐, 姜庆国.任职教育的课程教学设计韧探.海军院校教育, 2007, (4) .

篇4：航空发动机结构与强度课程设计思考论文

【关键词】船舶 基础理论 案例式教学 创新

【基金项目】船舶与海洋工程应用型创新人才培养模式探索与实践；船体强度与结构设计课程教学改革探索与实践（2014ZD03），

本文获得山东省研究生教育创新计划项目SYDD12151支持。

【中图分类号】G64【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）07-0245-02

船体强度与结构设计是我校船舶与海洋工程专业的一门十分重要的专业课程，课程内容繁多且较难，里面涉及大量的船体结构等专业概念，初步接触有一定的难度去学习理解。课程包含的内容主要以杨代盛教授编著的《船体强度与结构设计》一书为基准，主要有船舶静置在波浪上的外力计算，总纵强度计算，扭转强度计算，船体结构设计，船体局部强度设计，等内容。该课程的计算内容多，计算量大，且与材料力学，船舶结构力学紧密相关，传统式教学过程中学生只是机械式接受二维的文字及图片，导致学生学习这门课程难度十分大。所以，使用创新性的教学方法和手段是老师在教学过程中必须要探讨的问题。

一、教学现状

（一）教学手段

现在工科教学过程中特别是船体强度结构设计课程中，由于存在大量的计算，因此进行传统式的板书是必不可少的教学手段。传统式板书教学只能进行大量的枯燥的计算原理、公式，计算过程的推导运算，无法全面呈现比较生动形象的跟课程相关的图片甚至视频等其他创新性的内容。

（二）课堂氛围

由于传统式的板书教学使得课堂气氛不是很活跃，该课程教学过程中，学生也只是枯燥的听课和进行纸质笔记，学习效率十分低，加之本课程本身就是一门比较难的课程，大量的计算使得课堂气氛十分沉闷。

（三）课程教材

由于船舶与海洋工程专业是一门专业型比较强的专业，其专业课程设置也涉及到船舶的各个方面，因此进行教学需要比较资深的船舶人才进行编著教材才能比较科学全面的介绍船舶。所以目前比较难的课程都是使用比较老的老教授编著的比较老的教材，导致教材更新比较慢。目前我校该专业的学生学习这门课程使用的是杨代盛教授编著的《船体强度与结构设计》一书，该书包括船舶静置在波浪上的外力计算，总纵强度计算，扭转强度计算，船体结构设计，船体局部强度分析，上层建筑强度及设计，应力集中七章内容。该书出版年代久远，书本清晰度较差，很多文字图片无法识别或识别困难。

二、存在的问题

（一）教学内容多而杂

现在的船体强度与结构设计要教授的内容十分繁杂，要教授的七章内容分别为船舶静置在波浪上的外力计算，总纵强度计算，扭转强度计算，船体结构设计，船体局部强度分析，上层建筑强度及设计，应力集中。而且这些内容都存在比较大的难度，不是十分简单的计算内容分就可以掌握的，因此要想在32个学时内教授七章内容而且让学生能够有比较好的掌握这是比较困难的。

（二）教学手段落后且单一

由于船体强度与结构设计存在大量的比较繁杂的计算以及计算原理与公式的推导，所以仍旧以传统式的板书为主，多媒体为辅的教学方式进行教学，但是板书大多数为公式的推导，多媒体也只是简单的进行概念的陈列，所以教学效果不甚理想。而且教学除了板书和多媒体在没有其他的辅助教学手段，例如实验，和实际模型制作。单一的教学手段也导致了教学效果不甚理想。

（三）课堂气氛不活跃

船体强度与结构设计课程本身存在比较大的学习难度，加上教学的单一性和学生本身的学习态度问题，导致在平时课堂上的学习氛围不是很活跃，课堂气氛比较沉闷和单调，学生学习的积极性也不是很强。

三、新的教学措施

鉴于该课程教学存在比较多的问题，因此，进行一定的教学改革，寻求新的教学方法是十分有必要的。可以从以下几个方面进行着手。

（一）开展船舶讲座，提高学习兴趣

我们知道，学生学习兴趣是进行研讨的最主要动力，所以只要学生有了一定的兴趣，开展课堂教学就有了一个新的开始和发展。在课程最初步的几个课时时间里面，可以开展世界新型船舶前沿讲座，进行船舶科普知识的普及，开展讲座的同时可以进行船舶新形式新结构大讨论，进行微型船舶基础科普知识竞赛。 与此同时，可以针对军用船舶舰艇进行一定的探讨，还可以联系国际形势，充分调动学生对于船舶学习的积极性，培养学生学习船舶的兴趣。开展船舶事故学习，提高船体强度和结构设计的重要性。

（二）重视船舶结构认识，注重船体基础知识

虽然，在学习船体强度和结构设计这门课程之前学生已经学习了不少关于船舶结构的知识，但是其学习不是很全面和扎实，学生实际掌握的船体结构的知识太少，因此也造成了学习本课程的有比较大的难度。因此，在开展讲座之后可以在2-3个课时的时间里进行船体结构的基础认识，例如船底板结构，船舷侧结构，甲板结构，舱壁结构甲板室结构等等，了解船体结构计算简化模型，例如，船舶板结构，船舶梁单元，船体中的骨架以及船底结构等结构的计算模型简化。只有充分了解了这些基本的船体结构知识，才能进一步进行船体强度的相关理论的学习。

（三）计算机辅助，案例式教学

由于学生对于传统的老师讲授学生听取这种模式已经产生了一定的免疫，所以其教学效果不是很理想。所以开展一种新型的教学手段十分必要。经过几个学期的教学实验，开发了一种案例式工科教学模式，通过计算机软件的辅助，进行大型计算案例的计算，将学生充分调动起来，参与其中，一起学习探讨。老师进行指导，成立学习小团队，采用合作模式，一起完成教学小课题。与此同时，进行计算机Excel软件编制结构计算模型，有效提高了计算能力，节省板书书写时间。endprint

案例式教学模式能充分调动学生的学习积极性，提高学生的团队合作意识，自我解决和合作解决问题的能力。有效的提高了课堂教学的效率，也使沉闷的课堂变得十分活跃，学习氛围也比较浓厚。而且，在这种模式的学习下，能充分的将船体基础理论知识融入到其学习过程中，避免了多媒体单调式的概念陈列。教学模式新颖。

计算机软件的辅助教学，从另一个方面增强了学生自我学习和动手计算的兴趣。课堂本身的枯燥有了计算机的融入，使得教学氛围变得比较活跃。而且进行新型计算模型的编制可以激起学生学习兴趣，也有利于学习研究的开发。

（四）板书多媒体交互式利用

虽然传统式板书比较的死板，也不具有重复性，但是合理板书，条理规划板书结构，有效利用板书，可以有效地引导学生学习，循循善诱，领着学生，跟上老师的思路。同时进行多媒体播放教学PPT，教学视频或者动画，使得学生有比较形象生动的理解课本知识，且可以活跃课堂上的气氛。

（五）船体结构强度与有限元分析结合教学

传统的教学课程内容大多是结合材料力学、结构力学等知识，将整个船体看作一个力学模型，采用力学中常用的计算方法来对整个船体进行计算。由于将整个船体模型化，导致了计算结果的大致性，大多数细节问题采用比较笨拙的积分计算，这样从计算结果上来说并不准确，而且在今后学生们的工作中也无法将课堂上学习到的方法直接运用到实际的工程项目中。因此，在现阶段的船体强度与结构设计课程的教学过程中，应该更多地与今后工作的具体项目相结合。所以开展有限元分析，将现有的有限元分析软件例如ANSYS、abaqus等软件运用到课堂教学过程中，同时将力学的计算方法用语原理讲解。让学生们既懂得软件运用，在以后的实际工作中能直接用以实践，又能让学生们更加直观的了解课程中的一些计算过程以及重要原理，实现课堂教学效率最大化。

四、结语

船体强度与结构设计是我校船舶与海洋工程专业的一门十分重要的专业课程。该课程的计算内容多，计算量大，且与材料力学，船舶结构力学紧密相关。所以，如何提高这门课教学效果，同时结合科技最新成果进行教学改革， 在教材和教学模式上开拓创新，以满足新世纪培养新式复合型人才的要求，是我们当前教学研究的重点。与此同时，课程内容的更新更新换代要紧跟时代的步伐，对教学内容进行合理选取也要跟其它课程紧密相连，环环相扣。总之，只要针对船舶强度与结构设计该课程具体情况，不断改善和完善教学手段，才能使得枯燥沉闷的学习变为有趣的科学探索，从而使学生的知识水平和综合能力得到十足的提高。

参考文献：

[1]李昌良.《船舶强度与结构设计》教学中的几点思考[J]，科技创新导报2010（4）.

篇5：航空发动机结构与强度课程设计思考论文

关键词：结构强度,航空航天,研究生教学,教学改革

江泽民同志曾说过:“创新是一个民族进步的灵魂, 是一个国家兴旺发达的不竭动力”.既然要创新就要有创新型人才, 而大学正是为国家培养这样人才的摇篮, 我想这正是近几年全国各大高校提倡“研究型大学、创新型人才”的原因所在.

显然, 研究生教育的根本任务就是为国家培养高素质的创新型人才, 研究生课程又是研究生学习的主要途径之一, 因此, 研究生教学改革势在必行[1,2].作为教育工作者, 特别是多年来的研究生任课教师, 笔者结合多年来《飞机结构强度》课程的教学实践经验[3], 进行了一些改革探索, 取得了较好的效果.

1 课程的特点及其重要性

《飞机结构强度》是航空航天院系的最重要的基础课程之一.该课程是研究和解决飞机结构设计的工程技术问题的学科, 是一个新的典型的交叉学科, 涉及结构力学, 气动弹性力学, 疲劳强度, 断裂力学, 可靠性分析的相关知识, 具有很强的理论性和应用性[4].课程基本内容是飞机设计技术领域的研究热点, 而且随着飞机设计技术的快速发展, 不断有新的工程技术问题出现并需要解决, 因此《飞机结构强度》又是个快速发展的学科, 它关系到飞机发展进程快慢, 因此该课程越来越受到航空工程技术人员的关注[5].

另外, 《飞机结构强度》又是一门从基础理论过渡到工程专业的技术学科, 与飞机结构的设计紧密地结合在一起, 可以说它的内容是某种意义上的飞机结构设计规范, 并且实际的飞机结构设计准则也正是以这些理论为依据的.因此《飞机结构强度》在航空航天专业课中是一门承上启下的课程, 学好这门课程对学生尤其是研究生来说, 无论是继续深造, 还是今后从事设计工作都有着非常重要的意义.

《飞机结构强度》课程以人们从事飞机设计过程中, 对“结构强度”以及强度设计方法的认识发展过程为主线, 以具体的飞机结构为背景, 讲授结构强度理论及其发展演变, 和相关设计方法在航空航天结构上的具体应用.

2 课程面临的问题

《飞机结构强度》作为一门研究生课程, 授课对象主要是硕士研究生, 面临着研究生课所共有的问题:

(1) 部分研究生学习缺乏主动性和自觉性, 存在只是为了拿学分的现象;

(2) 部分研究生在本科或自学过相关知识, 因而出现觉得课堂乏味, 内容陈旧;

(3) 研究生教学区别于本科生教学, 怎样能够不仅要讲述书本上的内容, 而且要对学生有所启发, 对其今后的研究工作做好铺垫, 也成为该课程面临的问题之一;

另外, 作为航空专业的专业课, 《飞机结构强度》内容涉及面广, 覆盖整个强度设计理论范围, 怎样设计课程体系, 选择课程内容, 安排授课次序以及采用怎样的方式能够突出航空专业的特点, 并对本专业的研究生今后的学习深造的帮助达到最大.

以上这些都是如今《飞机结构强度》这门作为航空院系研究生专业课所面临的问题, 以下笔者将结合多年的教学经验与思考, 为解决以上问题对课程进行一系列的改革.

3 课程教学改革具体内容

3.1 教学理念的革新

3.1.1 突出自觉性和研究性

研究生课程教学, 不再像本科生阶段, 每一部分内容都详细的讲授.课程内容有的详细讲授, 有的教师提纲挈领, 也可以介绍自己的观点或要求学生通过自学, 讨论.这样使学生在学习中研究, 在研究中学习, 教师只起到引路人的作用.例如:在讲授“耐久性设计”部分时, 关于耐久性设计与损伤容限的联系与区别这部分内容, 教师在课堂上启发式的给出耐久性设计的思想和目的, 以及耐久性设计考虑的是初始缺陷, 而损伤容限设计考虑的是生产后意外或使用造成的缺陷等知识.然后由师生共同讨论在飞机结构设计中, 两者的使用范围, 对象等内容来总结两者的区别与联系, 从而使学生对耐久性设计有更深一层的理解.

3.1.2 提倡创新性

提倡创新性的主旨不仅在于培养学生的创新思维, 还体现在充分尊重学生的个性, 创造平等、民主、和谐的教学氛围.这样才有利于开展探究性的讨论活动, 调动学生参与教学活动的主动性、积极性和创造性.

3.2 课程体系的优化

《飞机结构强度》作为航空航天专业的研究生课程, 目的在于整合结构设计思想, 完善学生结构设计知识构架, 使其了解强度设计理论在飞机结构中的应用, 为其今后的学习和工作打下良好的基础.鉴于以上目的, 《飞机结构强度》课程并不像以往类似课程单一地、具体地讲解某一种强度设计理论.而是集静强度、稳定性设计, 气动弹性和刚度设计, 安全寿命设计, 损伤容限和耐久性设计以及可靠性设计于一门课程.并且按照人们在从事飞机设计过程中的对强度理论的认识过程的顺序排列, 使学生容易接受和理解.

3.3 授课内容的精心选择

《飞机结构强度》内容包括从静强度设计到可靠性设计的所有强度设计内容, 覆盖面广、内容涉及比较多, 40学时的课时内不可能面面俱到将每一部分内容都在课堂上作详细地介绍.因此需要对课程内容进行选择, 依据主要有这么几条原则: (1) 减少陈旧的内容, 增加新的内容, 以适应不断提高的飞机设计要求; (2) 减少繁琐的内容, 多介绍学生容易理解, 飞机设计中又常遇到的内容, 尽量拓宽学生的知识面.

3.3.1 静强度、稳定性设计

目前我国高等院校所开设的力学课程《材料力学》、《结构力学》都包括该部分内容, 理论部分已经有所重复, 因此在《飞机结构强度》课程中不再做详细的介绍, 重点放在静强度、稳定性设计在飞机的应用上面.例如:结构的稳定性设计主要针对一些飞机结构构件如:桁条、缘条等型材以及蒙皮与长桁等来讨论稳定性设计在飞机结构设计中的应用.这样既避免与之前的课程重复, 浪费资源, 又能带动学生上课的兴趣, 不至于使其觉得乏味, 陈旧.

3.3.2 气动弹性和刚度设计

气动弹性问题是指飞机结构中的翼面部件由于结构刚度不足或刚度分配不合理而导致气动力与结构变形相互耦合作用, 从而产生复杂效应, 甚至破坏的一类问题.因此, 结构的气动弹性性质与结构的刚度设计密不可分, 并且非常复杂, 为深入简出起见, 在授课时从飞机结构的刚度要求与设计讲起.气动弹性设计虽然复杂, 但由于其在飞机设计中的重要地位, 尤其是颤振问题, 是飞机结构设计中最重要的一个指标, 这里不能够忽略不加以介绍.但区别于另一门研究生课程《气动弹性力学》的是, 在《飞机结构强度》课上我们不做理论公式的推导, 只结合飞机结构 (机翼) 讲述在飞机设计中, 应注意的问题, 以及气动弹性问题给飞机造成破坏的机理.尤其对机翼弯扭颤振和副翼弯曲颤振形成的惯性力与空气动力自激, 耦合的过程加以详细的讲解, 使学生对该类问题的本质有较为深刻的认识.

3.3.3 安全寿命设计

安全寿命设计的理论依据是疲劳强度, 在各大航空院校均开设有《疲劳强度》这门课程, 因此在学习这部分内容时, 研究生已经有较好的基础.我们在这部分的课程安排上主要侧重于两个方面: (1) 介绍疲劳破坏的形成机理与特征, 包括金属、复合材料等构件, 结合图片、动画使学生直观地、感性的认识, 理解这部分内容; (2) 安全寿命的估算方法以及飞机结构中哪些需要考虑使用安全寿命设计.为加深印象, 调动学生的主动性, 可以结合疲劳破坏的成因, 让学生讨论飞机上的哪些构件是容易产生疲劳破坏, 最后由教师给出标准答案.

3.3.4 损伤容限与耐久性设计

由于这两部分内容有着密不可分的联系, 因此放在一起.又因为损伤容限与耐久性设计为目前国际民机设计主要设计手段.这部分内容是本课程的重点, 在这部分内容上所用的课时也比较多, 讲授的内容也相对细致.主要内容包括线弹性力学基础, 损伤容限设计方法与原理, 耐久性设计方法与原理以及损伤容限设计与耐久性设计之间的区别与联系等内容.在讲授两种设计方法时为加深印象, 教师应用鲜活的、具体的案例来把这两种设计方法形象地表示出来.

3.3.5 可靠性设计

可靠性设计为比较新的设计方法, 现有的飞机很少应用可靠性设计.但作为飞机设计的发展方向, 作为航空专业的研究生课程又必要作相关的课程安排.考虑到这部分内容的前沿性, 并且笔者也多年从事这方面的研究.在可靠性设计方面除课上讲授可靠性设计的概念, 分析方法以外, 还特别安排了讲座性的课程, 把笔者多年的研究经验、成果在课上加以介绍, 并与同学们共同讨论.

3.4 教学方法的灵活使用

在教学中, 采用灵活多样的教学方式, 及时了解学生对课堂讲授知识的认可情况.在课堂上, 教师随时关注学生上课的反应, 适时调整教学进度和方法, 及时发现问题及时解答, 力争搞活课堂气氛, 促进学生的学习热情, 使每位学生最大程度地掌握所学知识.

3.4.1 多媒体与板书相结合的教学方式

针对板书教学信息量少, 不能充分显示图片信息等不足, 课程的讲述主要采用多媒体教学的方式.然而, 多媒体教学虽然直观, 内容丰富多彩, 但对于理论公式的推导部分却不十分适宜.因此, 在理论公式的推导上笔者采用“黑板加粉笔”的传统教学方式, 这样既便于学生紧跟教师思路, 又方便学生做笔记.两种方式灵活的结合教学, 受到了学生的欢迎.

3.4.2 实验课与理论课相结合

由于实验课的特殊性, 在教学中往往被放置在所有理论课讲授完之后才开始进行.但此时学生有可能对相应的知识淡化, 不能起到“趁热打铁”的效果.因此在《飞机结构强度》课程中理论课与实验课穿插进行, 所谓理论联系实践, 使学生通过实验课及时地理解、消化理论课上所学内容, 发挥实验课最佳效果.

3.4.3 及时设置习题课与答疑

“学而时习之, 不亦乐乎.”及时的阶段性的习题课与答疑, 发现学生在学习过程中的问题, 加以解答, 另一方面也可及时地发现教师在讲课过程中的不足, 加以改进.通过典型题, 典型设计案例的讲解, 还可以锻炼、培养学生的分析能力.

3.4.4 开设讨论课

讨论式教学作为研究生教学的重要手段之一, 有着培养学生表达、应变、资料搜集能力等几大优点.在《飞机结构强度》课程中适当的开展讨论课, 课上主要以学生为主, 通过对教师提出的有关专题的资料搜集, 在课堂上展开讨论或以ppt的形式作介绍.最后再由教师进行点评, 既有利于学, 又给学生展现的空间.

3.4.5 小论文的撰写

我国教育, 研究生区别于本科生的最大特点就是课程学习与研究并行.所有的课程学习是在为研究打基础, 为写最后的毕业论文作准备.考虑到上课学生大多是研究生一年级, 为了锻炼学生的论文撰写能力与创新能力, 《飞机结构强度》课程要求每位学生写一篇小论文, 自己寻找与课程相关的自己感兴趣题目, 进行资料的搜集、创作.通过这样的方式, 既使学生熟悉了撰写论文的步骤、格式, 又无形中拓宽了学生的知识面, 培养了学生学习研究的兴趣.

3.4.6 使用扩充性资料

为了激励研究生的学习兴趣和积极性, 考虑到该课程多学科、知识交叉和综合的特点, 在教学过程中, 注重给研究生传授获取相关知识的方法, 培养和训练研究生主动学习的习惯, 提高研究生的自学能力.为此, 本课程为研究生提供了大量的相关扩充性资料索引, 包括相关教材、专著, 中外专业杂志名称, 还有相关的教学网站和资源.通过对参考书和专业杂志的选择性阅读, 不但可扩大研究生的知识面, 而且能了解和把握本领域目前国内外的发展动向.

3.4.7 教师是学生与知识间的桥梁

教师在授课过程中成为课程与学生之间的一个积极的、建设性的桥梁, 充分考虑到学生的知识结构、认知方式, 在课堂授课中通过已有知识的温习和纵向拓展、相关知识的横向比较、课程难点的启发、点拨, 并结合课程节奏的张弛控制, 引导学生跟随授课思路, 自然地理解和掌握知识.实现知识的融会贯通.

3.5 考核手段的改进

对于研究生课程的考核方式一直争议较多, 笔者在多年的教学过程中也曾尝试过多种考核方式, 总结以往的经验教训, 个人认为采取办开卷的考核方式较为合理, 让学生主动寻找有用的资料, 但要有所限定, 比如只允许带一张写满学生自己准备资料的草稿纸.这样既避免了闭卷考试, 学生进入死记硬背的误区, 又不像开卷考试那样不容易受到重视.学生查找、准备资料的过程, 本身就是一个再学习、复习的过程.另外, 考核的分数不仅仅局限于最后的考试成绩, 出勤率、课堂表现 (尤其是讨论课上的表现) 、小论文的撰写情况均可以在最后的成绩中占有一定的比例.

4 创新之处

首先, 应该说《飞机结构强度》课程的开设本身就不乏创新的意味, 也就是说《飞机结构强度》课程本身就是一种推陈出新的举措.它打破了以往“强度理论”课程只局限于分开来讲授的一贯做法, 例如几乎所有的航空院系都开设有《疲劳强度》、《断裂力学》、《可靠性设计》等研究生课程.这些课程当然是必不可少的, 学生也能从中较深刻细致地学习到相应的理论知识, 但是对于航空航天专业的学生, 尤其是今后要从事这方面研究和设计的研究生来说, 没有一个系统的、完整的对强度理论知识构架是不够的, 《飞机结构强度》这门课程的开设填补了这方面的空白.

其次, 《飞机结构强度》课程以具体的飞机结构为授课背景, 一改以往“抽象”、“离散”的教学模式, 把等效力学模型, 材料用飞机中的结构和用材替换, 既使学生直观地看到所学内容的应用, 又为学生今后的进一步学习做好铺垫.

5 结束语

随着航空航天技术的不断发展以及航空航天结构设计要求的不断提高, 《飞机结构强度》课程的教学内容也应不断地充实和更新, 如何切实地跟随当前的状况, 设计、完善该门课程, 使《飞机结构强度》满足素质教育, 尤其是研究型、创新型人才培养的要求的工作任重而道远.愿通过本文与各位同仁共同探讨, 力争做到“与时俱进”, 加快航空航天专业课程的改革步伐.

参考文献

[1]徐蓓, 罗秋明.论大学研究型教学.湘潭师范学院学报 (社会科学版) , 2007, 29 (4) :238-241

[2]马崇武, 徐有基.秦怀泉.土木工程专业力学课程改革的研究与实践.高教论坛, 2007, (2) :112-113

[3]邱志平, 刘艳玲.研究生创新能力培养探析.北京航空航天大学学报 (社会科学版) , 2005, 18 (4) :78-80

[4]陶梅贞.现代飞机结构综合设计.西安:西北工业大学出版社, 2001

篇6：航空发动机结构与强度课程设计思考论文

发动机强度设计技术包括：1）定量描述发动机整机及其零组件在使用环境及载荷作用下结构变形、动力响应以及疲劳、蠕变、氧化腐蚀、塑性变形、断裂及冲击等损伤行为的理论和方法；2）考虑发动机使用环境、载荷、结构及材料工艺特性及其分散性，在发动机研制和使用的全寿命周期内，赋予发动机结构预期安全性、耐久性和可靠性的设计理论、方法和技术；3）为提高工程设计分析效率所需的发动机强度设计理论、方法和技术。

发动机强度设计技术涉及面广，从整机载荷、整机刚性以及整机振动，到零件的静强度、变形与刚性、稳定性、振动以及寿命，都是发动机强度设计技术必需参与的领域。

因而，作为机械强度设计的一个分支，发动机强度设计是一个费时、耗钱的系统工程，其设计准确性需要大量的、不断提高的设计实践和产品应用作为基础。因此，发动机强度设计技术的成熟与发展与气动、热力学科的发展相比，就更为艰辛漫长。

此外，如陶瓷复合材料、纤维增强复合材料等新材料，以及增材制造技术、激光表面强化以及激光修复技术等新工艺在航空燃气涡轮发动机上的应用，又给强度工程师带来了新的技术挑战。

材料、工艺对强度设计的影响与制约

强度设计技术的核心是对结构在使用环境及载荷作用下的反应客观的认识和准确的预测。用于制造特定结构的材料以及工艺过程直接决定了在特定环境下、在给定载荷作用下特定结构的机械性能，也就决定了特定结构从变形、振动、损伤到机械性能衰退等各种对环境及载荷的反应。当一个零组件完成制造并装配到发动机上后，随使用时间增长其机械性能不断下降，因此，强度设计离不开对材料各种特性的掌握。

设计用材料性能数据对强度设计的影响与制约

设计用材料性能数据是发动机结构分析与强度设计的基础，没有设计用材料性能数据，结构分析与强度设计便成为空中楼阁。因此，设计用材料性能数据的系统性、完整性、可靠性在一定程度上反映了发动机结构分析与强度设计的基础有多扎实、实践的深度有多深、实践的广度有多宽，并在一定程度上反映了结构分析与强度设计的工程实践水平。

发动机结构分析与强度设计需要代表真实构件特定部位机械性能的、具有一定置信度、可靠度的设计用材料性能数据。它需要包括基本物理性能，也要包括短时力学性能数据，不仅要包括不同材料工艺状态、不同部位（典型如轮盘轮缘、辐板、轮心）、不同方向（典型如单晶、定向结晶）、典型温度范围、典型应力/应变/应变比的低循环疲劳性能，还要包括不同温度、不同工艺状态（包括表面状态）、不同部位、不同应力集中部位高周疲劳性能，对于高温合金，还需要不同温度、不同应力、不同持续时间下的持久性能、蠕变性能、热-机疲劳性能等性能数据。

作为机械产品的航空燃气涡轮发动机，其结构强度设计是一个逐步积累、提升的过程，这也反映在设计用性能数据的逐步积累、提升上。这些设计用性能数据的测量代价大，周期长，在应用新材料、新工艺时，设计用性能数据的测试可能和材料、工艺的研制过程及应用研究与验证同步开展，则设计用材料性能数据的缺乏问题更为突出。设计用材料性能数据不仅要全面、完整、可靠，而且还要有效地管理起来并方便用户使用，以及新的数据的积累和有机融入已有测量数据（库）中。

要开展民用航空动力装置设计，设计用材料性能数据是否符合要求是一个能否取得适航证必需迈过的第一道坎。

工艺过程控制及制造符合性对强度设计的影响

如何从设计角度控制原材料、冶炼、锻铸过程、热处理、焊接、机械加工、表面处理以及装配过程，直接决定了构件及装配成形后的发动机的内在性能以及性能质量的一致性、分散性。它直接影响着结构分析和强度设计的基本假设、对构件/发动机的强度设计裕度的设置、对构件/发动机的结构验证状态的确定等等。因此，从设计角度需要认识：1）哪些环节、哪些参数是需要设计控制的？2）这些辨识出来的需要控制的环节、参数对结构特性的影响程度？3）如何控制并确认制造的符合性？4）设计用数据、方法是否准确地反映了影响构件/发动机的制造主要环节、参数？5）过程控制的代价是否可以接受？

如果制造过程不能得到有效的控制，强度设计时的假设就与构件/发动机硬件状态不符，设计结果也就不能代表真实状态，意想不到的构件失效就可能发生。

使用载荷及环境

如果说材料以及形成构件/发动机的整个过程赋予了构件/发动机硬件基本性能，它是否能够在你期望的情况下可靠地工作，还决定另一个重要因素：使用载荷及环境。

使用载荷及环境是发动机硬件的实际服役环境及服役中承受的工作载荷。就使用环境而言，在海洋环境中使用的发动机，其零件易受到海洋腐蚀环境的影响，在沙漠环境使用的直升机用发动机，易于受到沙砾的冲蚀影响；就飞机用途而言，制空战斗机用发动机、对地攻击战斗轰炸机用发动机、高空侦察机用发动机和运输机用发动机，由于其使用特点不同，发动机的大状态工作时间所占比例、转速循环历程差异也大。

设计用法

为了使设计的发动机满足预期要求，在发动机设计初期，就必需首先确定设计的发动机预计的用法和使用环境，习惯称为设计用法。设计用法包括飞机的任务及任务混频、用法参数、工作包线、外部作用力（机动载荷）、大气环境条件、飞机引气/功率提取、发动机性能衰退后的用法等等。

设计用法确定得越详细、与最终使用越接近，发动机的强度设计假设中关于使用环境与载荷越接近真实情况，付出的结构重量、制造成本、开发成本以及使用成本才可能与预期最接近。因此，发动机设计中必需首先面对的强度设计问题就是确定什么样的设计用法。

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设计用法仅提供发动机整机的用法要求，从安全性角度考虑，对于发动机的安全性关键零组件，还需确定其设计限制载荷和极限载荷，以便在付出的代价可接受的情况下保证足够的安全性。对于安全性关键件，考虑什么样的限制载荷和极限载荷，不同应用环境要求不同，随着对问题的认识深入和技术的发展，其要求也会有变化。

因此，这些设计用法和能力要求是随着设计实践的积累不断变化的，不能也不会一成不变。

构件工作载荷的确定制约强度设计的精度及可靠性

除了从提供推力/功率和其他能量需求的航空动力装置角度需要明确其设计用法以外，为了设计出可靠、安全的发动机，还必须准确掌握发动机特定构件在发动机环境下的工作载荷。

特定构件在发动机环境下的工作载荷主要包括转动引起的离心载荷、气动载荷、温度载荷、流体/旋转机械激振载荷、外部冲击载荷、相邻构件传递的机械载荷等。由于转速测量成熟、精度高，转速控制精度也高，因此转速引起的离心载荷在设计中把握较好。作为流体机械，叶片表面的气动载荷受到测试手段的约束其准确分布往往不得而知，目前设计中更多采用CFD预测结果，这对叶片的强度设计带来不可忽视的影响。叶片以及发动机中与气流直接接触的薄壁构件，工作中还有一类重要的载荷是由于旋转和流场的非定常特性产生的流体交变载荷和机械旋转引起的机械交变载荷，这种交变载荷如果频率与结构固有频率吻合，便可能产生共振响应，或者导致结构出现气弹不稳定，引发结构失效。因此，如何准确地预测作用在叶片及其他薄壁构件上的交变激振力的分布及大小，是进行构件抗高周疲劳设计的核心问题。在对转涡轮设计中，叶片流体激振力的准确预计是其设计成功与否的关键。轴承设计、传动齿轮设计中，机械交变载荷大小及其分布特性仍然是设计关注的焦点之一。

作为高温旋转机械的典型零件——复杂冷却叶片不仅承受了高温，同时还承受了大的温度梯度和快速的温度变化，由此产生了不可忽视的热应力。热应力的准确预计需要准确的构件空间温度分布和随时间的变化，准确的温度预计又与特别是过渡态的空气系统预计密切相关，过渡态的空气系统预计不仅与主流通道的气动热力参数准确与否密切相关，还与结构在气动、机械及热载荷作用下以及构件不可忽视的制造偏差等造成的空气系统间隙及间隙变化密切相关。由此可见高温构件的温度载荷确定的复杂性。构件的高温载荷确定的准确与否，直接制约了高温构件的强度设计水平。

上述这些载荷的准确确定，都离不开试验，试验中的气动、热、机械参数测量，大部分就是为了准确获取构件的工作环境及载荷条件。

对于长寿命发动机或者在腐蚀环境中工作的构件，大气腐蚀或燃气腐蚀条件也需要准确掌握。

在发动机强度设计中，一个容易被忽视的环境因素是阻尼环境。由于发动机叶片及薄壁结构容易出现高周疲劳，要准确地预计构件的振动响应，除了需要准确预计激振力外，还需要对构件的阻尼有准确的预测。典型如整机振动响应分析中，由于静子结构件有较多的连接结构，其结构阻尼较大，支点如果采用了有效的阻尼器，其阻尼也较大，但是转子在做宏观涡动运动时，其结构阻尼就较小，这些都对整机振动响应影响较大。另外，整体叶盘的结构阻尼低，振动响应往往较大。比如某整体铸造涡轮叶盘，由于其结构阻尼低，其振动响应峰值尖，峰值响应大，这是其固有特性，如果设计初期对此认识不足，就容易引起强度设计问题。

强度设计分析技术

考虑发动机使用环境、载荷、结构及材料工艺特性及其分散性，在发动机研制和使用的全寿命周期内，赋予发动机结构预期安全性、耐久性和可靠性的设计理论、方法和技术，是发动机强度设计分析的核心。它建立在准确、系统、全面反映实际构件状态的设计用性能数据基础上，也建立在准确的发动机及其构件使用环境及载荷基础上，通过强度设计分析方法技术把部件性能、发动机使用环境及载荷、发动机及构件试验验证等有机结合成为完整的强度设计系统工作。

随着新材料、新工艺及新结构的应用，构件在环境和使用载荷作用下的损伤行为的深入认识，强度设计分析技术也会不断深化、发展。

新材料新工艺新结构的强度设计技术

发动机为了追求高的热效率、部件效率和结构效率，耐高温、高比刚度、高比强度的材料不断用于发动机设计实践。现在开始使用、未来将成为发动机中主体的新材料包括：耐高温树脂基复合材料、金属基复合材料、碳纤维增强陶瓷基复合材料、碳碳复合材料、钛铝金属间化合物、新一代单晶、新一代粉末冶金材料、TBC涂层、智能材料等等。这些新材料用于发动机构件必然涉及如何可靠、高效地使用这些新材料的问题。这些材料的变形行为、损伤失效行为、构件性能表征与评价、构件的结构分析方法及强度评估方法与准则、构件制作过程对构件的性能影响等，都必须在用于发动机之前予以解决，并通过试样、模拟构件、全尺寸构件的试验予以验证。解决这些问题的过程也促进了强度设计技术的进步。

整体叶盘、整体叶环、异种金属焊接结构、骨架结构、复杂冷却结构、增材制造等新结构、新工艺的应用，也给强度设计分析技术带来了挑战。整体叶盘、整体叶环的应用，就需要我们考虑是否需要采用新的阻尼减振技术，也需要我们考虑为了使叶盘高周疲劳概率降低到可以接受的程度，应该如何控制叶片的稳态应力水平，为了给修复提供可操作余地，轮缘结构应该如何控制，与盘、片分离结构相比，叶身前后缘是否有必要加强等。异种金属材料焊接结构的正确应用，也需要通过各种分析和试验手段明确焊接结构在发动机各种使用环境和载荷下的损伤失效行为，并建立相应的结构强度设计准则。

发动机结构强度设计技术的发展不仅受到新材料、新结构、新工艺的推动。受到设计分析效率、设计分析对精度的需求驱使，强度设计分析方法自身也在不断创新、完善与提高。

概率设计方法应用

作为机械产品，航空发动机整机及其构件也存在机械性能分散，几何尺寸分散，内在缺陷分散，构件之间相互作用具有分散特性，特定发动机/构件在使用载荷、维护上也具有分散性，这些分散特性，决定了发动机及其构件的强度、动力特性、变形、寿命等具有明显的分散特性。一个典型的例子是在相同试验载荷条件下，采用同一套图纸制造的轮盘的低循环疲劳试验最长寿命与最短寿命之比可达4倍，对于粉末盘更大。除了构件自身的不确定性外，强度设计分析方法本身具有的不确定性也需在强度设计中考虑，试验验证以及用以证明试验验证有效性的物理参数测试也具有不确定性。这些不确定性驱使发动机结构强度设计人员考虑如何把概率设计方法用于发动机构件的低周疲劳、高周疲劳、静强度、稳定性、损伤容限等设计中。

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在进行概率结构强度设计分析时，首先必须通过分析、测量、试验及统计等方法和手段获取、掌握影响构件最终可靠性的主要影响因素及其分布特性。其次，必须理解、掌握这些主要影响因素是否相互独立地对构件的最终可靠性产生影响。第三，还必须确定合适的设计分析模型进行结构强度概率设计分析。这里就牵涉到计算量问题，要解决计算量问题，就必须采用合适的计算策略（计算方法）。第四，还需注意建立与概率设计分析方法相匹配的设计分析准则。

多学科综合优化设计

为了确定发动机构件的尺寸及有关设计技术要求，往往要气动、传热、结构强度、工艺、空气系统甚至声学等多专业人员反复迭代，专业之间常常表现为强耦合。在发动机中，冷端件典型如风扇叶片，它需要气动、结构强度、声学、工艺等多专业人员共同设计、分析，满足各方面对叶片的需求和约束，如果采用各专业串联迭代设计，其设计周期注定很长。为了解决叶片的振动或者增大某两阶模态的频率分离度，可能就得花几个月时间。在发动机中，热端件如气冷涡轮叶片，其气动、冷却、结构强度以及工艺更是紧密耦合的，需要气动、结构强度、冷却设计以及工艺人员通力合作，反复迭代，一排气冷涡轮转子叶片设计，为了解决寿命问题，可能其设计周期长达一年甚至更长。为了确定发动机涡轮转子结构，也需要结构强度、空气系统、热分析、工艺之间迭代设计才能满足个专业的需求与约束。要设计好涡轮承力框架，必须解决好由于温差大、变形大导致的结构可靠定心与控制热应力在可接受范围内的矛盾问题，要解决这个矛盾，必需空气系统、热分析、结构强度以及工艺多专业共同参与。发动机中的构件这种需要多专业共同参与设计，专业之间又常常表现为强耦合，以及设计迭代周期长等特点，决定了多学科综合优化设计在发动机设计领域有广阔的应用前景。

多学科综合优化设计必需首先建立在各学科有可靠的定量设计分析工具基础上，其次，要对各专业之间的相互影响、相互制约关系有比较准确的认识，并尽可能建立定量约束关系，第三，对各学科的约束条件、有关参数取值范围研究清楚并能定量描述，第四，针对特定构件的特定问题建立恰当的优化模型，第五，合适的优化算法降低计算的复杂性和计算规模，最后，多学科综合优化结果的评定与检验。

目前多学科综合优化方法已开始在发动机零件设计中应用，未来它将是解决设计分析效率、提高设计质量的重要手段。

结构损伤及新的结构仿真分析方法

结构强度分析的核心是如何定量描述发动机整机及其零组件在使用环境及载荷作用下结构变形、动力响应以及疲劳、蠕变、氧化腐蚀、塑性变形、断裂及冲击等损伤行为。

其中，在使用环境及载荷作用下的损伤及其演变过称是进行寿命预测的基础，损伤过程是高度非线性的过程。如何对不同材料、不同构件在不同使用环境及载荷作用下的损伤演变过程进行更加准确的仿真分析，过去、现在、将来都是强度设计技术的发展焦点之一。这也包括多种损伤因素的复合作用过程，如高、低周复合疲劳损伤、蠕变与低循环疲劳复合损伤、复合材料的多模式复合损伤、腐蚀与蠕变复合损伤等等。

对于复合材料、功能材料的应用，如何更加清晰地认识构件在外载荷作用下的应力、变形响应，结构宏-细观分析方法也将在发动机构件设计分析中占有一席之地。

发动机构件相互作用而成为一个整体，为了对整机及构件之间的相互作用理解更深刻、准确，也需要整机结构多尺度缩放分析技术。

这些强度设计分析技术的进步，也将推动发动机结构强度设计水平的发展，提高强度设计分析质量。

强度试验及测试技术

强度设计技术的发展、能力的提升，离不开强度试验技术和手段的发展，也离不开有关测试技术和手段的发展。同样地，强度试验技术和测试技术如果落后，也必定制约强度设计技术的发展。

强度试验技术的核心是如何构建与期望的工作环境一致的模拟环境来获取或验证试样、模拟件、真实构件的机械性能特性。强度试验技术也包括试验数据分析处理技术和试验数据与结构分析数据融合技术。为了降低成本、缩短验证周期，获取足够具有代表性的试验验证结果，如何建立高温构件的模拟工作环境来进行高温构件的验证就成为一个关键问题。复合材料构件的大量使用，其验证方法和手段也给强度试验人员提出了挑战。

构件强度试验技术需要发展，整机结构可靠性、安全性及耐久性试验方法及技术也是需要不断改进、发展的重要领域。通过什么样的模拟环境、经过什么样的载荷模拟，发动机整机试验结果可以验证什么结构特性，是整机试验技术研究的重要内容。

强度试验离不开测试，发动机及其构件的工作环境及载荷的确定也离不开测试。发动机中大部分的参数测量与构件工作环境及载荷直接相关。即使是为了评估气动效率的气动热力参数，也是用于分析、确定构件工作环境及载荷的直接参数。

从强度设计角度，叶片高转速（高过载）、耐温能力超过1000℃的动应变测试技术是开发先进涡轮的必备条件。某发动机涡轮叶片如果不是高过载、高温动应变测试技术支持，其故障原因也就难以确定并解决。另外，复杂气冷涡轮叶片的温度场测量，以及温度随时间的变化特性是确定、验证气冷涡轮叶片热载荷的最直接的手段，如果不能进行温度场及其随时间的变化规律测量，则涡轮叶片的热载荷只能借助于模拟冷效试验确定，其精度也会受到严重制约，或者最终只能依赖发动机环境下的考核验证试验来检验强度设计结果。

为了掌握作用在构件上的气动载荷，流场的稳态及脉动参数测量也是提高分析精度必需的基础技术。为了提高构件寿命预测精度，局部应力集中部位的应变场测量技术可以为预测分析提供详细的测试数据。

非接触式振动测量已开始广泛用于试验中，未来随着非接触振动测量技术的发展和信号分析辨识能力的提高，非接触式振动测量将成为发动机健康监视系统的重要组成部分。另外，如果能够开发出构件损伤在线检测方法，强度技术人员不仅可以把它用于检验其理论损伤演化预测分析，还可以把它作为发动机健康监视系统的核心来确保发动机的可靠性、安全性，使结构问题导致的发动机故障降至可以忽略的程度。

结束语

发动机强度设计技术直接决定了发动机的可靠性、耐久性、安全性水平，新材料、新结构、新工艺能否用于发动机，往往最后受到强度设计技术的制约。发动机强度设计技术是发动机设计的核心技术。同时，发动机强度设计水平又受到材料性能数据、试验验证数据积累以及测试试验手段等的制约，其发展、提升也是一个漫长的过程，需要在发动机研究与发展的各个阶段予以足够的重视与支持。

（作者系中航工业燃气涡轮研究院强度副总师）