纤维缠绕增强复合材料承压设备

课程信息

课程名称／课程号	适用范围与修读要求
纤维缠绕增强复合材料承压设备 ENER3227M	过控 · 26级 专业选修 · 模块选修

课程简介

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本课程是面向高年级工科本科生开设的前沿学术与多学科交叉课程。纤维缠绕增强复合材料承压设备是力学、材料科学、机械工程及控制工程高度交叉的产物。本课程旨在打破学科壁垒，从“微观材料设计-介观缠绕轨迹-宏观承载性能”的交叉视角，系统阐述该类设备的核心科学问题。课程避开复杂的数值计算推导，重点讲授多学科交叉的物理图像和学术界、产业界共同关注的前沿瓶颈（如界面剪切应力传递、极端低温脆化机制、多目标拓扑优化等）。通过本课程的学习，学生将接触到国际前沿的研究方法与学术动态，培养跨学科思考能力和科学研究的直觉，为未来从事高水平学术研究或前沿技术研发奠定基础。

来源：教务网。

课程内容

分数构成

评分构成：

平时表现与课堂互动：20%

课程思政主题小组调研报告及汇报（PPT）：40%

期末学术论文式综述报告：40%

建议：鼓励学生在调研报告中提出具有创新性的工程应用设想，对展现出独特工程直觉和创新思维的方案给予高分。

课程大纲

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周次/讲	学时	教学主题	主要授课内容	课程思政融入点与教学活动
第1讲	2	导论：多学科交叉的魅力	承压设备中的力学、材料与制造交叉；国际学术界的研究热点与分布。	阐述学科交叉是现代科技创新的源泉，鼓励学生打破专业壁垒，勇于探索未知。
第2讲	2	微观视角：纤维/基体界面力学	界面剪切应力传递理论；界面改性方法；微观损伤（脱粘、微裂纹）的萌生。	引入“润物细无声”的隐喻，讲解界面相在复合材料中承上启下的关键作用，体会协同效应。
第3讲	2	介观视角：缠绕轨迹与几何学	旋转体上的非测地线缠绕理论；滑移系数与缠绕稳定平衡条件。	介绍微分几何在工程中的应用，展示数学之美与工程之用的完美结合。
第4讲	2	宏观视角：各向异性弹性力学	单向板的刚度与强度；经典铺层理论（CLT）的概念性解析。	引导学生体会“局部”与“整体”的辩证关系，理解结构设计的系统观。
第5讲	2	承压设备的应力场耦合	内压与温差耦合下的热-力弹性分析；非均匀壁厚的应力集中。	讨论复杂应力下的“妥协”与“平衡”，培养学生处理复杂矛盾的辩证思维。
第6讲	2	极端环境学术前沿：超低温力学	液氢温度（20K）下聚合物基体的物理老化、脆化与微裂纹演化机制。	【课程思政案例1】：介绍我国科学家在超低温复合材料基体改性领域的突破，展示中国学者对全球氢能基础研究的贡献，增强学术自信。
第7讲	2	极端环境学术前沿：介质渗透	高压氢气在非金属内胆中的溶解、扩散与渗透机制；“氢鼓胀”现象。	结合气体扩散规律，讨论“防微杜渐”的重要性，引导学生树立风险防范意识。
第8讲	2	制造过程中的多物理场耦合	缠绕-固化过程中的温度场、化学场、位移场耦合；残余应力的形成机理。	阐述“内因（残余应力）”与“外因（服役载荷）”共同决定构件寿命的哲学原理。
第9讲	2	智能制造与数字孪生前沿	缠绕过程的张力自适应控制；数字孪生技术在复合材料制造中的构想。	介绍人工智能与传统制造的融合，激发学生对“新质生产力”的思考。
第10讲	2	结构拓扑与多目标优化前沿	遗传算法、神经网络在纤维铺层优化中的应用；轻量化与安全性的帕累托最优。	讨论“最优解”与“满意解”的哲学差异，引导学生理解工程实践中的折中与包容。
第11讲	2	先进表征与无损检测物理	原位X射线断层扫描（In-situ CT）；声发射信号的波形解析与损伤识别。	介绍现代科技如何让我们“看见不可见”，培养学生透过现象看本质的科学素养。
第12讲	2	长期服役行为：蠕变与疲劳	粘弹性理论基础；复合材料承压设备的疲劳累积损伤模型。	【课程思政案例2】：讲述科学家如何通过数十年的持续实验建立疲劳寿命预测模型，阐释科学研究需要“坐冷板凳”的奉献精神。
第13讲	2	学术前沿专题：IV型储氢瓶	塑料内胆与复合材料外壳的界面匹配；滚塑/吹塑工艺与缠绕工艺的衔接。	剖析IV型瓶国内外技术差距，激发学生攻克关键核心技术的斗志。
第14讲	2	学术前沿专题：深海耐压结构	深海高静水压下复合材料的失稳与剪切失效；固体浮力材料与缠绕结构的结合。	介绍我国“深海勇士”号等大国重器的学术支撑，强化海洋强国意识。
第15讲	2	学术前沿专题：智能复合材料	埋入式传感器（光纤、压电）实现承压设备“自诊断”与“自愈合”的前沿设想。	展望未来“生命体”特征的工程装备，启发学生的科幻想象力与前沿创新意识。
第16讲	2	学术沙龙与方案答辩	学生汇报“前沿学术问题微型研究方案”；同行评议与学术辩论。	【思政融入教学活动】：模拟国际学术会议的答辩环节，强调学术规范、诚信科研，并在辩论中培养尊重对手、客观理性的学术风貌。