實(shí)驗(yàn)簡介：

本實(shí)訓(xùn)是為了提高機(jī)類學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新設(shè)計能力而設(shè)置的，通過該實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠運(yùn)用前期所學(xué)知識，根據(jù)學(xué)校實(shí)踐教學(xué)儀器設(shè)備現(xiàn)狀，本著“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”的原則，在教師的指導(dǎo)下，采用攪拌摩擦焊接仿真技術(shù)，針對航空航天大型結(jié)構(gòu)零件——運(yùn)載火箭燃料貯箱，制定合理的加工工藝，并利用相應(yīng)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊接加工過程。使學(xué)生直觀認(rèn)知攪拌摩擦焊接成型工藝過程和設(shè)備工作過程，并通過交互操作、自主分析典型缺陷成因，優(yōu)化工藝方案，達(dá)到提高學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的目的。

實(shí)驗(yàn)背景：

大型運(yùn)載火箭是發(fā)展載人航天和深空探索的前提和基礎(chǔ)，體現(xiàn)了國家的航天制造水平。其中火箭的燃料貯箱是火箭的重要承載單元，占火箭總體結(jié)構(gòu)的50%以上，是大型運(yùn)載火箭制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前焊接是燃料貯箱的最終成型制造工序，作為一種新型固相焊接技術(shù)，攪拌摩擦焊技術(shù)（FSW）的焊接溫度未達(dá)到輕質(zhì)合金熔點(diǎn)?？梢杂行П苊廨p質(zhì)合金熔焊過程中易出現(xiàn)的氣孔、夾雜、熱裂紋等冶金缺陷，相對于其他焊接技術(shù)，F(xiàn)SW在輕型合金的焊接中具有顯著技術(shù)優(yōu)勢。

近年來，世界航天強(qiáng)國開展并逐漸實(shí)現(xiàn)了FSW在運(yùn)載火箭燃料貯箱上的規(guī)?；こ虘?yīng)用。隨著火箭運(yùn)載能力的提高，燃料貯箱尺寸隨之增大，由于燃料貯箱的大型薄壁結(jié)構(gòu)，對FSW焊接裝備和工藝帶來了巨大技術(shù)挑戰(zhàn)。燃料貯箱的FSW制造技術(shù)是“航天和制造”高度交叉融合的新技術(shù)前沿，涉及機(jī)械工程、材料等工科專業(yè)，隨著國家航天發(fā)射任務(wù)的密集化，對掌握扎實(shí)的燃料貯箱等大型結(jié)構(gòu)件的制造知識和具備燃料貯箱制造工程實(shí)踐能力的專業(yè)人才的需求非常迫切，符合新工科專業(yè)建設(shè)的發(fā)展方向。相關(guān)專業(yè)知識是專業(yè)核心必修課《機(jī)械制造技術(shù)》及其先修課程《材料力學(xué)》與學(xué)科拓展課程《機(jī)械制造工藝學(xué)》的重要教學(xué)內(nèi)容。同時，如何將立德樹人融入教學(xué)全過程，通過情景體驗(yàn)式的教學(xué)方法，以典型大國重器作為思政對象，不僅使學(xué)生理解燃料貯箱制造在航天制造領(lǐng)域的重要價值，而且潛移默化的激發(fā)學(xué)生投身航天工業(yè)的情懷和使命感，也成為了教學(xué)面臨的重要挑戰(zhàn)。

目前各高校均沒有大型構(gòu)件攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)平臺，嚴(yán)重影響了對機(jī)械工程專業(yè)人才的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，主要原因如下：（1）由于實(shí)驗(yàn)場地大、設(shè)備大、部件大、工藝流程復(fù)雜等因素，學(xué)校難以復(fù)制真實(shí)的燃料貯箱FSW制造現(xiàn)場。（2）燃料貯箱制造相關(guān)大型設(shè)備的操作需要有相應(yīng)的專業(yè)資質(zhì)和上崗證，師生均無法達(dá)到基本安全要求。（3）燃料貯箱FSW實(shí)驗(yàn)需要不斷升級大型專業(yè)設(shè)備和工裝，消耗大量昂貴的實(shí)驗(yàn)材料，物理實(shí)驗(yàn)成本極高。（4）傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)只支持重復(fù)認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)，無法開展燃料貯箱FSW的高探究性實(shí)驗(yàn)，直接影響了學(xué)生創(chuàng)新能力的提升。

因此，開展運(yùn)載火箭大型貯箱攪拌摩擦焊接虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有極強(qiáng)的必要性和迫切性。

設(shè)計原則：

依托南京航空天大學(xué)機(jī)械制造及其自動化國家重點(diǎn)學(xué)科，航空航天先進(jìn)制造技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心和工信部航空航天制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，項(xiàng)目組將“虛擬現(xiàn)實(shí)+互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，堅(jiān)持“以學(xué)生為中心，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)理念，按照“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的原則，突出航天高端制造工程應(yīng)用驅(qū)動、面向行業(yè)和社會資源共享，開發(fā)運(yùn)載火箭大型貯箱攪拌摩擦焊接虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，填補(bǔ)當(dāng)前運(yùn)載火箭制造虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺方面的空白。

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：

學(xué)校秉承航空報國傳統(tǒng)，以立德樹人為根本任務(wù)，致力培養(yǎng)具有責(zé)任意識、創(chuàng)新精神、國際視野、人文情懷的社會棟梁和工程精英。

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合運(yùn)載火箭大型燃料貯箱的工程應(yīng)用背景，以“大型燃料貯箱筒段和總體的攪拌摩擦焊接”為實(shí)驗(yàn)任務(wù)，構(gòu)建了基于假想發(fā)射任務(wù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)情景。實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生探究式的思維方式和解決復(fù)雜工程問題的綜合能力，具體實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)如下：

知識：以貯箱制造任務(wù)為驅(qū)動，系統(tǒng)全面掌握攪拌摩擦焊技術(shù)的概念、原理、方法和應(yīng)用等基礎(chǔ)知識，以及極端制造中的變形控制、工藝優(yōu)化等前沿知識。

能力：具備大型薄壁構(gòu)件攪拌摩擦焊接工藝方案的設(shè)計能力，能夠針對燃料貯箱的制造需求，正確選擇FSW工具，設(shè)計工裝結(jié)構(gòu)，并能夠優(yōu)化其加工參數(shù)。

素質(zhì)：結(jié)合課程思政，厚植航空報國情懷、堅(jiān)定制造強(qiáng)國理念、培養(yǎng)大國工匠精神，增強(qiáng)綠色環(huán)保的意識、嚴(yán)謹(jǐn)求是和自主探究的學(xué)習(xí)態(tài)度和方法。

實(shí)驗(yàn)要求：

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要面向機(jī)械工程和飛行器制造工程的本科生，根據(jù)各學(xué)校不同專業(yè)的培養(yǎng)計劃安排，一般是大三及以上年級的本科生。學(xué)生應(yīng)具備相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程知識，完成《材料力學(xué)》等基礎(chǔ)課程和《機(jī)械制造技術(shù)》、《機(jī)械制造工藝學(xué)》和《實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》等專業(yè)課程的修讀。