郭巧荣，蔺越国

（中国民航大学航空工程学院，天津300300）

1 引言

“飞机结构疲劳与断裂”是飞行器制造工程专业的一门专业限选课。在2016 版培养方案中，是飞机结构强度课程组的一门重要的课程， 课程组里还有“飞机结构与强度”“飞机结构与适航”“结构有限元应用”“飞机结构动力学”课程。随着培养方案的制订，根据教师意见、学生调查和企业调研结果对课程进行相应调整。

2 课程现状

2.1 课程作用与任务

本课程安排在专业基础课之后的第6 学期。课程要求本专业学生必须完成理论力学、材料力学、航空材料与工艺等前续课程学习，为随后的“飞机结构损伤与修理”等专业课程学习提供理论基础。课程的主要任务如下。

学习理解应力疲劳理论、飞机疲劳载荷谱、载荷谱的基本分析方法、线性累积损伤理论、结构疲劳寿命估算和应变疲劳理论。让学生掌握线性弹性断裂力学理论、平面应变断裂韧度测定方法、应力强度因子的计算与测定方法、复合型断裂判据、平面应力断裂问题、疲劳裂纹扩展规律、应力腐蚀疲劳、细节疲劳额定强度法、现代抗疲劳设计方法和飞机结构疲劳试验等内容。为学生将要学习的“飞机结构损伤与修理”“企业实习”“毕业论文”以及毕业后从事飞机机务维修工作、安全技术及工程工作、相关的技术管理和研究工作奠定必要的专业理论基础。

2.2 教学方法与教学手段

经过多年教学实践，课程组老师编制“飞机结构疲劳与断裂”讲义两轮，并经过审核修改后出版为具有民航特色的专业教材。在编制教材和教学过程中，不断摸索与改革，制作了丰富的多媒体课件，并且剪辑了国家地理上播出的空难视频，让学生通过观看视频，明白疲劳与断裂的重要性，提高教学效果。在理论推导部分，主要利用板书，例题部分鼓励学生自己推导与练习，提高学生自主学习的积极性。

2.3 考核方式

课程采取“平时成绩+期末考试”的考核方法。平时成绩主要考查学生出勤情况、作业完成情况、课堂回答情况等，占总成绩的15%；期末考试采用闭卷笔试形式，综合考核学生知识的掌握，占总成绩的85%。

本课程在新版培养方案中建议增加两个学时的课程设计，要求学生学会使用软件仿真，解决实际工程问题，并对结果进行分析，这可以作为平时成绩考核内容，考察学生的动手能力和对知识的掌握情况。

3 课程建设改革与探索

3.1 教学实验和实践创新改革思考

本课程涉及材料及结构的疲劳问题，单纯的理论分析，对它们的抗疲劳和断裂设计以及服役中结构的疲劳断裂问题缺乏有力支撑。尤其是对结构的疲劳现象缺乏定性和直观了解，对影响疲劳实际条件的认识有一定的局限性，如果有疲劳实验数据和分析的辅助，可以使学生对疲劳的微观和宏观都充分了解，并对断裂力学中疲劳裂纹扩展有定量的分析和计算。目前，在研究生课程建设时，使用的英文教材《Fatigue of Structure and Materials》是一本为从事工程结构和材料疲劳问题相关的设计、制造、载荷谱和试验验证人员编写的教材，已被吴学仁教授等翻译并在航空工业出版社出版，教材中引入原作者JAAP S 的荷兰国家航空航天实验室（NLR）和代尔夫特理工大学航空航天工程系的结构，以及材料实验室的大量真实实验数据来例证疲劳中的基本概念和工程应用问题，这些珍贵的实验数据可以适当增加到本科教学中，深入浅出地引导学生客观分析疲劳与断裂问题。

在旧版教学大纲中，该课程没有设置实验课时，由于实验资源匮乏，以往是让学生去实验室参观，由实验老师讲解实验设备，缺乏实际动手操作，并且疲劳力学和断裂力学中有很多基于基本概念和知识的实验，较少的课时不能让学生全部掌握，建议在教学改革中，可以让学生自行设计相关知识点的实验，并辅以实验设计报告，较成熟的实验设计可以申请大创项目，丰富学生的疲劳力学和断裂力学知识，提高实践动手能力，并学以致用，开发的实验项目用于教学，来提高实验教学质量。

3.2 课程知识体系的完善

3.2.1 “主线”引导式课程知识体系建设

经过多年对该课程的教学和对教材的重新编制，对于疲劳与断裂的知识体系已充分了解，现有的知识点比较多且杂，有些知识必须让学生了解，但是又很难独立为一节，所以导致内容比较散。因此，在课程讲授时，应该将主线贯穿其中，知识为主线服务，这样比较连贯。

例如，在讲疲劳力学时，在列出疲劳力学的基本知识后，应该首先用常用的应力法估算出疲劳寿命，并以综合实例例题列出，然后带着问题去讲解疲劳载荷谱，包括飞机设计中常用的重心过载谱重点分析，这是飞机材料和结构不同于其他载荷谱的地方。然后将过载谱如何转化应力谱，材料S-N曲线如何获得，线性累积损伤理论如何估算结构的疲劳寿命，这些问题被引出讲解后，再将这个估算飞机机翼危险部位的疲劳寿命的综合实例计算分析，以这一实例主线引导学生将知识点联系起来，解决散沙式的教学模式。同样，在断裂力学可采用断裂判据这一主线引导学生从应力和能量分析的角度去学习新学科断裂力学的基本知识，再深入讲解如何估算疲劳裂纹扩展寿命。

3.2.2 增加纤维-金属层板疲劳分析内容

飞机结构经历了不同材料的变化，铝合金的出现从根本上改变了结构设计思想，在20 世纪后半期，复合材料的发展又是飞机结构设计史上的重大变革，因为设计思想、制造工艺和材料性能方面，复合材料和铝合金有着根本区别。过去传统的疲劳与断裂教材上涉及复合材料疲劳的知识较少，因为复合材料的疲劳现在仍是需要研究的重要课题，但是这部分内容应该作为飞机结构疲劳与断裂教材中的一节内容去讲国际目前研究的前沿技术。

3.2.3 基于航空特色实例教学的教学方式改革

在教学过程中逐渐发现，对于基本知识，如果使用平铺直叙的方式讲授，学生特别容易淡忘，但是如果辅以具有航空特色的实例和图片有利于学生掌握知识点。例如在讲授疲劳破坏和静力破坏的区别时，单纯讲述两者区别，很难达到预期效果。在本学期课程讲授中，将发生在直升机桨叶的同一个翼梁中的两种断裂方式进行对比讲解，让学生展开讨论，达到了事半功倍效果。疲劳断裂和静载荷断裂的差别如图1所示。

图1 疲劳断裂和静载荷断裂的差别

例如讲授疲劳条纹的间距问题时，单纯讲授应力强度因子变程紧密相关，由于应力强度因子的概念在疲劳力学中还未提出，学生不明所以，所以如何让学生将间距和应力联系起来是个问题，可以使用图2 所示的方法进行分析。图2 揭示了铝合金薄板宏观裂纹扩展的疲劳条纹与载荷循环之间的对应关系，基于航空特色的实际案例更有说服力。图1 和图2 都是英文图示，这也是行业专业的特点。适当增加英文案例教学可以增加学生的学习兴趣，也有利于知识的运用和掌握。

图2 铝合金薄板宏观裂纹扩展的疲劳条纹与载荷循环之间的对应关系

另外，该课程是“飞机结构损伤与修理”的基础理论和前续课程，实例列举和损伤修理课程的结合，可以很好地将理论应用于实际，更能提高学生理论应用实践的能力。

3.2.4 基于软件仿真的课程设计改革

在新版培养方案中，对于结构方向的课程设计来说，增加一部分课程设计考核可以提高专业能力。在涉及静力学问题分析，例如在计算结构应力分析时，可以运用有限软件仿真计算。随着有限元分析软件的发展，有限元已经成为飞机结构应力分析的重要工具，至今几乎没有结构工程师可以摆脱有限元法而完成结构应力分析。在“飞机结构疲劳与断裂”课程中，同样需要应用有限元方法虚拟仿真并解决问题，例如在疲劳力学中讲授理论应力集中系数时，需要计算最大弹性应力，在断裂力学中计算裂纹尖端的应力和位移，都可以使用有限元软件仿真，增强学生处理工程实际问题能力，并且通过应用计算力学可以增强学生不同失效模式下的设计控制能力，深入地认识了材料与结构中疲劳裂纹的扩展规律，提高抗疲劳和断裂设计的能力。

4 小结

“飞机结构疲劳与断裂”课程作为一门飞行器制造工程专业的专业选修课，是具有民航特色的一门重要课程。笔者这几年来一直承担该课程的教学任务，与课程组其他老师一起对课程进行开发和建设，包括相关视频、动画、案例、英文资料和PPT等教学资源，引导学生将所学知识应用于实践。课程的建设们需要课程组老师具有奉献精神，投入更多的精力[2]，笔者今后将继续坚持教学改革和探索，脚踏实地，认真钻研，为本课程的建设继续努力，争取早日建成精品课程。