复合材料热压罐成型工艺虚拟仿真实验设计

杨金水 尹昌平 陈丁丁 邢素丽 鞠苏

[摘 要] 为了解决复合材料热压罐成型工艺实验高危、低效、高成本的难题，提高实验的交互性、实用性和覆盖面，利用Unity 3D、3D Studio Max和Maya等软件设计开发了复合材料热压罐成型工艺虚拟仿真实验，并依托于开放式虚拟仿真实验教学管理平台开放运行，将高危低效的热压罐成型实物实验教学转换为无危高效的虚拟仿真实验教学。设计相关学科知识点的交互性操作，通过交互性操作，增加学生的参与感和掌握相关的知识点，同时实现学生实验操作的全覆盖和实验结果的实时在线评价反馈，提高实验教学效率和质量。

[关键词] 复合材料;热压罐成型工艺;虚拟仿真实验

[教改课题] 2019年度国防科技大学院级教改课题“虚拟仿真实验项目助力材料学科课程教学的探索与实践”;2019年度湖南省学位与研究生教育改革研究项目“基于创新能力培养的复合材料研究生专业课混合式教学改革探索实践”（yjsy2019029）;2021年度国防科技大学研究生精品课程培育项目“复合材料制备与加工技术”

[作者简介] 杨金水（1982—），男，云南耿马人，博士，国防科技大学空天科学学院副教授，主要从事聚合物基复合材料研究。

[中图分类号] G642.423 [文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2022）10-0132-05[收稿日期] 2021-06-24

先进复合材料具有轻质高强、性能可设计、材料与构件一体等优异特性，广泛应用于航空航天装备领域[1]。复合材料的最终性能与使用效能，取决于原材料和成型制备技术。为满足高纤维体积分数、高性能均匀性和高稳定性的“三高”要求，热压罐成型工艺[2-4]已成为航空航天复合材料制备的首选技术。因其重要性，该工艺基本上已纳入各高校复合材料专业学生必修的重点知识体系。

热压罐成型工艺原理示意图如图1所示，其基本原理是在特定模具上根据预先设计好的铺层方式铺设预浸料、制备预成型体，然后采用柔性真空袋膜对预成型体进行封装处理，抽真空检查气密性，保持真空负压条件下在热压罐中的高温高压环境中进行固化定型，最后冷却、脱模、后处理得到所需先进复合材料构件。该工艺具有高温高压、温压均匀和性能稳定的特点，能够很好地满足航空航天制品的“三高”要求。但高温高压、均匀稳定带来的问题是高能耗、高危险、设备昂贵和运行维护成本高，导致高校难以配备或即使配备也难以有效开展实验教学。

为有效开展复合材料专业热压罐成型工艺实验教学，本教学团队基于热压罐成型工艺基本原理，利用Unity 3D、3D Studio Max和Maya等软件设计开发复合材料热压罐成型工艺虚拟仿真实验，依托于开放式虚拟仿真实验教学管理平台开放运行，将高危低效的热压罐成型实物实验教学转换为无危高效的虚拟仿真实验教学[5]，同时实现学生实验操作的全覆盖和实验结果的实时在线评价反馈，提高实验教学效率和质量。

一、虚拟仿真实验设计

（一）实验目的

复合材料专业课程体系主要包括“复合材料学”“复合材料结构设计原理”“复合材料成型制备技术”和“复合材料性能测试与表征”等课程，基本构成一个完整的材料科学与工程四面体。热压罐成型工艺是“复合材料成型制备技术”课程的核心内容，也是其中的重难点。

热压罐成型工艺虚拟仿真实验的目的是：通过仿真实验使学生了解复合材料的特点，掌握复合材料热压罐成型工艺的基本原理和操作流程，深刻理解该工艺的重难点，清晰认识该工艺在复合材料部件制备中的应用范围。

（二）实验基本原理

虚拟仿真实验基于热压罐成型工艺的基本原理（图1），设计时，对关键影响因素进行重点仿真，主要包括以下四个方面。

1.模具表面清理。模具刚度、硬度、外形和气密性等要满足热压罐成型的基本要求，模具表面清理，確保光滑平整无污渍，然后模具表面涂抹高温脱模剂或直接铺设聚四氟乙烯薄膜，保证复合材料制品能够顺利脱模。

2.辅助材料铺放顺序。热压罐成型工艺辅助材料的铺放顺序不能颠倒，否则会导致制备失败。正确的铺放顺序是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，详见热压罐成型预成型体封装原理示意图2。

3.真空袋膜封装和气密性检查。预浸料预成型体需要高温密封胶带和真空袋膜进行封装，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.固化制度确定和热压罐操作。通过预浸料用树脂体系的DSC曲线（图3）和固化特征温度，采用外推法，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。

（三）实验总体构架

虚拟仿真实验项目运行的支撑平台及项目运行的架构，共分为数据层、支撑层、通用服务层、仿真层和应用层等5个，每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。

1.数据层。热压罐成型工艺虚拟仿真实验项目涉及多种类型虚拟实验组件及数据，这里分别设置虚拟实验的基础元件库、实验课程库、典型实验库、标准答案库、规则库、实验数据、用户信息等来实现对相应数据的存放和管理。

2.支撑层。支撑层是虚拟仿真实验教学与开放共享平台的核心框架，是实验项目正常开放运行的基础，负责整个基础系统的运行、维护和管理。支撑平台包括以下几个功能子系统：安全管理、服务容器、数据管理、资源管理与监控、域管理、域间信息服务等。

3.通用服务层。通用服务层即开放式虚拟仿真实验教学管理平台，提供虚拟实验教学环境的一些通用支持组件，以便用户能够快速在虚拟实验环境完成虚拟仿真实验。通用服务包括：实验教务管理、实验教学管理、理论知识学习、实验资源管理、智能指导、互动交流、实验结果自动批改、实验报告管理、教学效果评、项目开放与共等，同时提供相应集成接口工具，以便该平台能够方便集成第三方的虚拟实验软件进入统一管理。

4.仿真层。仿真层主要针对该项目进行相应的器材建模、实验场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器，最后为上层提供实验结果数据的格式化输出。

5.应用层。基于底层的服务，最终热压罐成型工艺仿真实验项目教学与开放共享。该框架的应用层具有良好的扩展性，实验教师可根据教学需要，利用服务层提供的各种工具和仿真层提供的相应的器材模型，设计各种典型实验实例，最后面向学校开展实验教学应用。

（四）实验虚拟仿真度

为了使学生直观的了解实验设备、实验对象及其他实验要素，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，实物如图4（a），虚拟模型如图4（b），虚拟模型高度精度还原实验设备。

二、实验方法与实验步骤

（一）实验方法

热压罐成型工艺虚拟仿真实验设计了学习版（学习模式）和考核版（考核模式）两种模式。学习模式，学生根据提示逐步点击“确认”就能完成实验操作，同时设置演示视频、图文讲解、信息链接等，学生可以方便地学习热压罐成型工艺基本原理、技术特点和实验步骤。

学生可以选择先完成学习模式的实验，也可以直接进行考核模式的实验。考核模式实验步骤的设置与学习模式相同，不同的是：没有操作提示，输入条件更新、输入参数需要学生自行确定，实验操作错误需要学生自行更正，参数确定没有讲解，但设置关联知识链接，点击可查看。基本操作是：鼠标点击和数据输入操作。遇到错误操作时分两种情况：一种为“不可进行性错误”，这种情况下必须操作正确才能进行下一步。后台记录操作错误的次数。另一种为“允许性错误”，这种情况下当前实验操作可继续进行，但后续操作可能无法进行或得到错误实验结果;允许学生返回纠正，但会扣分。

（二）实验步骤

热压罐成型复合材料构件的实验步骤主要包括实验准备、预成型体制备、开盖、进罐抽真空、合盖、设置温度压力、加热加压固化、冷却、开盖取样、脱模检测等，如图5所示。实验步骤中设计相关的交互性操作，考核各步骤的关键知识点。

第一步，實验准备。首先是检查热压罐系统的完好性，包括加压/卸压系统、罐体系统、控制系统、加热/冷却系统和真空系统（见图1），确定设备完好、可开展实验。设置设备检查和安全确认两个交互性操作，培养学生检查和维护设备的良好习惯，增强安全防护意识。然后设置模具处理和选择材料的相关交互性操作，考核学生模具清理、喷涂脱模剂、选择原材料和工艺辅助材料等知识点。

第二步，预成型体制备。采用热压罐制备复合材料构件，所用原材料一般是纤维预浸料，在进热压罐前，通常先在成型模具上铺放制备成预成型体，并采用柔性真空袋膜和密封胶带封装，封装原理示意见图2。设置铺层顺序和封装次序的交互性操作，考核学生对该知识点的掌握情况。

第三步，开盖、进罐抽真空、合盖。实验操作步骤包括热压罐开盖、预成型体及模具进热压罐、成型模腔连接真空系统并抽真空、合盖等四大步骤，依次按顺序完成。真空度直接影响复合材料制品的纤维体积分数，进而影响构件的力学性能，是关键影响因素，设置交互性操作，考核真空度影响的知识点。

第四步，设置温度压力、加热加压固化和冷却。实验操作步骤包括设置固化温度和固化压力、加热加压固化、卸压冷却等三大步骤，固化温度和压力是两大关键工艺参数，固化制度确定主要确定就是这两大参数。固化温度包括预固化、固化和后固化温度，取决于复合材料树脂基体的固化反应机理和动力学;固化压力则主要影响制品纤维体积分数，可依据成型压力与纤维体积分数关联关系方程式计算。设置固化制度确定的交互性操作，考核固化反应动力学、固化反应机理和成型压力的影响规律。

第五步，开盖取样、脱模检测。开盖取样和脱模检测属于热压罐的常规操作，但脱模检测是所有复合材料成型工艺的通用步骤，通过该工艺脱模检测步骤的学习可了解其他成型工艺的脱模检测步骤，设置纤维体积分数检测、外观检测、固化度检测等交互性操作。

每个实验步骤在下拉菜单中都设置有相关知识点介绍和讲解链接，学生可以方便学习相关知识点。

三、实验教学

（一）教学方法

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。

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，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。

（二）实验考核

本虚拟仿真实验针对实验结果和实验过程进行综合评定，考查学生掌握知识以及分析和解决问题的能力。首先，学生未完成实验或最终的实验结果错误，则直接判为不及格。然后，完成实验且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。

操作等分根据实验步骤和交互性操作设计的分数，统计学生的最终得分，同时统计学生的操作情况，反馈给学生，提高学习的效果。例如学生选择工艺辅助材料错误，系统会记录下学生首次选择的辅助材料，结果反馈给学生，学生通过与正确选择对比，认识到自己对该知识点掌握的缺失。

实验报告等分则根据学生填写的实验报告进行计分，培养学生总结和分析的能力。最终考核结果会记录下来，可作为相关课程的平时成绩或平时成绩的部分，例如本校研究生课程“复合材料制备与加工技术”就采用本虚拟仿真实验的学习成绩作为课程的平时成绩。

結语

本实验基于复合材料热压罐成型工艺基本原理，结合科研过程积累的案例和材料性能数据，设计复合材料热压罐成型工艺虚拟仿真实验，实现了高温高压高危热压罐成型实验的在线虚拟仿真实验教学，降低了实验的成本与风险。而且可以方便地实现人人操作、直观理解实验基本原理，同时设计相关学科知识点的交互性操作。通过交互性操作，增加学生的参与感和掌握相关的知识点，提高实验教学的效率和质量。

参考文献

[1]蔡菊生.先进复合材料在航空航天领域的应用[J].合成材料老化与应用，2018，47（6）：94-97.

[2]鲁成旺.复合材料构件热压罐成型工艺参数设计及优化[D].杭州：浙江大学，2018.

[3]李艳霞.先进复合材料热压罐成型固化仿真技术研究进展[J].航空制造技术，2016（15）：76-81+86.

[4]李艳霞，顾轶卓，李敏，等.复合材料固化工艺评价与优化虚拟仿真实验[J].实验技术与管理，2019，36（12）：170-173.

[5]陈涛，范林坤.汽车运输安全虚拟仿真实验设计[J].实验技术与管理，2020，37（3）：129-132.

Design on Virtual Simulation Experiment for Composite Hot-air Autoclave Process

YANG Jin-shui， YIN Chang-ping， CHEN Ding-ding， XING Su-li， JU Su

（College of Aerospace Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract： In order to solve the composite autoclave process experiment of high-risk， inefficient and high-cost， and to improve the interactivity， practicability and coverage， the virtual simulation experiment of composite autoclave molding process is designed and developed by using Unity 3D， 3D studio Max and Maya software. Based on the open virtual simulation teaching management platform， the high-risk and low-efficiency autoclave physical experiment teaching is transformed into the no-risk and high-efficiency virtual simulation experiment teaching. Interactive operation of knowledge points of related disciplines is designed to increase students sense of participation and master relevant knowledge points. Meanwhile， full coverage of experimental operation and real-time online evaluation feedback of experimental structure are realized to improve the efficiency and quality of experimental teaching.

Key words： composite materials; hot-air autoclave; virtual simulation experiment