（1）专业与年级要求

主要面向航空航天院校工程力学和飞行器设计与工程专业（结构强度方向）的三、四年级本科生和研究生。本实验项目也可以面向其他航空航天类和机械类专业学生，通过虚拟仿真动画演示和应用实例展示，让学生了解飞机机身壁板断裂力学实验过程以及飞机结构损伤容限设计的相关知识。

（2）基本知识和能力要求

进行本项目实验学习的学生，应掌握飞行器结构力学的相关基础知识，已修读了《理论力学》、《材料力学》等先修课程，还应学习了《飞行器结构力学》、《断裂力学》等专业课程，对飞机结构强度有基本的了解。

大型客机不仅是一个国家民航产业的重要基础，也是一个国家整体工业能力的综合体现，因此我国已将自主研制大型飞机作为国家战略进行实施。在大型客机研制过程中，存在许多重要的力学问题需要攻关解决，亟需大量具有航空航天背景、力学理论基础扎实、富有实践能力和创新能力的高层次力学人才。

南京航空航天大学在工程力学专业和飞行器设计与工程专业开设了《飞行器结构力学》、《断裂力学》、《飞行器结构试验技术》等课程，是面向飞机结构强度设计的力学人才培养计划中最重要的专业基础课和专业课。这些课程教授的专业知识对提高飞机结构强度设计水平，保证飞机结构的完整性，确保飞行安全具有重要的意义。但长期以来，由于理论性强、概念抽象，《飞行器结构力学》、《断裂力学》专业力学课程只开设很少量的实验学时，且实验对象是高度简化的结构模型和试件，与实际飞机结构相去甚远；《飞行器结构试验技术》涉及的实验只能限定在弹性变形范围，不考虑结构损伤的影响，无法完成实际飞机结构试验需要呈现的破坏性现象。这些不足和瓶颈使得目前的课程教学实验已不能满足对卓越工程师人才的培养要求。因此，亟需利用现代信息化技术构造高真实感的虚拟实验设备以及真实飞机结构模型为教学环境，按照“能实不虚”的仿真实验理念，建立一个全方位、多层次、综合性和探索性的飞机机身壁板断裂力学虚拟仿真实验，以解决现实中力学专业人才培养在专业实践方面存在的问题。

在飞机结构强度方面采用实体实验的形式进行教学，其困难主要在于：

（1）实体实验成本高昂，无法长期大规模使用。为了展现真实的飞机结构，需要制作大型的飞机壁板结构，同时需要进行破坏性的极限承载实验和疲劳损伤扩展实验，实验对象的加工费用、实验过程的经济成本和时间成本都很高昂，无法在现实教学中长期大规模使用，因此有必要使用虚拟仿真实验的形式进行替代教学。

（2）实验过程不可逆，无法反复实践。在飞机结构强度设计中，相关力学知识对保证结构安全起着至关重要的作用，在实验中往往要进行破坏性的实验，以验证相关力学模型的正确性。尤其是断裂力学的引入，需要研究裂纹对结构破坏载荷的影响以及裂纹在疲劳载荷下的扩展，这些实验过程都是不可逆的，无法在现实教学中反复实践，因此有必要使用虚拟仿真实验的形式为教学提供可重复使用的实验环境。

     因此，开展飞机结构强度相关的力学虚拟仿真实验非常迫切和必要。

我国正在大力发展航空工业，在新型飞机研制过程中存在许多重要的力学问题需要攻关解决，亟需大量具有航空航天背景、力学理论基础扎实、富有实践能力和创新能力的高层次力学人才。作为飞机结构设计的基础，相关力学课程理论性强、概念抽象，实验教学面临着成本高、难度大、过程不可逆的严重困难。针对上述问题，团队以相关教学和科研成果为基础，遵照“能实不虚，虚实结合”的原则，为《飞行器结构力学》、《断裂力学》、《飞行器结构试验技术》等课程自主研发了飞机机身壁板断裂力学虚拟仿真实验项目。

首先，坚持以学生为中心的教学理念，实验方案采用了问题导向的设计方法，实验情景吸引力强，有利于调动学生的学习兴趣和积极性。

第二，本实验通过环环相扣的3个实验环节，将知识学习和能力提升有机融合，引导学生通过容错探究式的实验过程得到个性化的实验结果，培养学生解决复杂问题的综合能力和探究式的思维方式。

第三，本实验的挑战度高，实验知识点源于课堂，但实验内容由飞机结构设计和运行维护领域的工程实践以及科学研究成果转化。在每个模块实验前，学生需要通过本实验提供的理论学习环节，对相关领域的知识进行学习。

第四，本实验将立德树人融入教学全过程。在实验引导环节，设置国产大飞机运营和维护场景，有机联系各个实验模块，学生通过自主学习，深入理解实验相关知识点与飞机结构设计的联系。然后进一步通过情景体验式的实验教学过程，潜移默化的激发学生投身航空工业的情怀和使命感。

《飞机机身壁板断裂力学虚拟仿真实验》是为培养面向飞机结构强度设计的工程力学专业人才而设计的综合性交互实验项目。实验按照“能实不虚”的仿真实验理念，围绕含裂纹机身壁板结构剩余强度预测、剩余寿命预测和胶接修补补强等环节打造，可用于航空航天院校工程力学专业和飞行器设计与工程专业（结构强度方向）的课程教学，满足包括《飞行器结构力学》、《断裂力学》、《飞行器结构试验技术》等课程的实验需求。通过本实验将实现以下教学目标：

（1）理解裂纹对结构应力、应变分布的影响，掌握应力强度因子、断裂韧性、脆性断裂准则等知识点，具备对含裂纹结构的剩余强度进行预测并进行实验验证的能力。

（2）理解裂纹在疲劳载荷载荷作用下的不同阶段的扩展机理，掌握裂纹稳定扩展阶段、裂纹扩展速率、Paris裂纹扩展模型等知识点，具备对含裂纹结构在疲劳载荷作用下的剩余寿命进行预测并进行实验验证的能力。

（3）理解实际工程中对含裂纹飞机结构进行补强的原理和步骤，掌握胶接修补技术、胶接修补止裂机理、James-Anderson方法等知识点，具备综合应用理论知识对实际工程结构进行修补和分析的实践和探究能力。