大型飞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。
南京航空航天大学力学学科作为双一流建设学科，具有一流的师资队伍和一流的教学科研平台，是我国高层次力学人才培养的重要基地。当前在工程力学专业和飞行器设计与工程专业开设的《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。由于理论性强、概念抽象，学生对知识点理解困难，对理论知识在工程应用中的缺乏概念，实验教学作为连接基础理论和工程应用的重要纽带，对帮助学生提高知识掌握程度，提升人才培养质量具有重要意义。
但长期以来，《飞行器结构力学》、《断裂力学》等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高层次力学人才的培养要求。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，以解决现实场景中力学专业人才培养在专业实践方面存在的问题。
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。
随着航空科学技术的飞速发展，飞机结构设计思想在不断更新。飞机结构由最初的静强度设计经历了安全寿命设计、破损安全设计逐步演进到现代的损伤容限设计，满足越来越高的安全性要求。损伤容限设计的基础是断裂力学，研究含缺陷材料和结构的力学行为和破坏问题。本实验设置含裂纹机身壁板静态断裂行为、含裂纹机身壁板疲劳断裂行为及含裂纹机身壁板补强断裂行为等三个模块，融合贯通断裂力学中线弹性断裂力学、静态断裂行为、疲劳断裂行为等课程主要知识点，通过问题驱动式的实验任务，使得学生全面提升对相关知识点的掌握度，培养综合应用知识解决实际工程力学问题的实践和创新能力。
实验模块一原理：
当飞机结构中出现裂纹后，第一个首先要解决的问题是：飞机结构的剩余强度够不够？即飞机在使用载荷作用下，是否能满足安全性的要求，不引起结构破坏。传统的材料力学、弹性力学或结构力学的强度条件是要使结构中的最大应力小于材料的屈服强度或破坏强度，但由于为考虑裂纹存在的影响，常出现提前破坏的安全事故。断裂力学考虑了裂纹的存在，从裂纹尖端的应力强度因子和材料的断裂韧性出发，建立裂纹失稳准则，确定含裂纹结构的剩余强度。
实验中，学生从虚拟的飞机结构中提取含裂纹的机身壁板试验件，将其固定于试验机，在使用载荷作用下，观测裂纹对其应力应变分布的影响，考察是否满足安全性；如在使用载荷作用下试件未破坏，则继续加载，获取结构破坏的极限载荷，即含裂纹结构的剩余强度。通过该实验模块，学生将掌握应力强度因子、断裂韧性、脆性断裂准则、剩余强度等知识点。
实验模块二原理：
当飞机结构的剩余强度足够的时候，第二个需要解决的问题是：飞机结构的剩余寿命是多少？即飞机还能飞行多少个起落（疲劳载荷循环），裂纹扩展会引起结构破坏。断裂力学认为：带裂纹的结构，只要裂纹不到临界长度（由裂纹失稳准则确定），仍可使用；在疲劳载荷作用下，裂纹缓慢扩展，直至达到临界长度，结构才失稳破坏。疲劳载荷每循环一周，裂纹的扩展量是材料的一个指标，表明材料抵抗裂纹扩展的能力。如初始裂纹长度、临界裂纹长度和裂纹扩展速率已知，则剩余寿命可以求出。
实验中，学生将对固定于试验机的试验件施加疲劳载荷循环（其最大值为使用载荷），并使用光学显微镜观测获取裂纹长度随载荷循环的扩展曲线，直至达到临界长度破坏，破坏时的载荷循环即为含裂纹机身壁板的剩余寿命。通过该实验模块，学生将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。
实验模块三原理：
当飞机结构中的裂纹被检测出后，第三个需要解决的问题是：如何对飞机结构进行快速有效的修补以提高飞机结构的剩余强度和剩余寿命？复合材料补片胶接修补是国内外广泛应用的损伤结构补强技术，具有快速、高效、对气动外形影响小的特点。胶接修补对裂纹补强的本质机理在于降低了裂纹尖端的应力强度因子，提高了结构的剩余强度和剩余寿命。但由于补片的存在，难以通过理论分析方法获取裂纹尖端的应力强度因子，需要采用实验的方法获取，其中James-Anderson方法即是一种借助材料疲劳裂纹扩展速率性能确定裂纹应力强度因子的实验方法。
实验中，学生将对固定于试验机的试验件施加疲劳载荷循环（其最大值为使用载荷），并使用光学显微镜观测获取裂纹长度随载荷循环的扩展曲线，并根据相同应力比的恒幅疲劳载荷下，同种材料的疲劳裂纹扩展曲线唯一这一基本假设，获取裂尖应力强度因子的等效折减系数。通过该实验模块，学生将掌握胶接修补技术、胶接修补止裂机理、James-Anderson方法等知识点。
进入实验后，先进行背景知识的学习。虚拟场景将以1988年美国阿罗哈航空公司波音737客机因疲劳裂纹而引发前机身上部爆裂这一航空史上的经典案例，介绍实验的背景知识。构建2040年某国产飞机的虚拟飞行和维护场景，使学生化身为检修和维护人员，检修发现结构中存在裂纹，引导处实验需求和任务，由学生进行学习和操作。
首先进行实验模块一的学习和操作，对含裂纹机身壁板静态断裂行为进行探究。主要教学环节由：（1）对理论知识点进行复习，根据给定的力学模型和参数，预测机身壁板出现裂纹后的剩余强度；（2）对实验设备和实验步骤进行认知，进行阶段性测试通过后方可进行实验操作；（3）按指定的步骤进行实验操作，获得相关的实验数据；（4）撰写实验模块一的实验报告，对比实验结果和预测结果，进行讨论和分析。本实验模块用可视化的方法演示和验证在试验机加载作用下，含裂纹机身壁板变形和应力场分布，学生预期将掌握应力强度因子的概念，以及以应力强度因子和材料断裂韧性为主要控制因素的含裂纹结构剩余强度分析方法。
然后进行实验模块二的学习和操作，对含裂纹机身壁板疲劳断裂行为进行探究。主要教学环节由：（1）对理论知识点进行复习，根据给定的力学模型和参数，预测机身壁板出现裂纹后的剩余寿命；（2）对实验设备和实验步骤进行认知，进行阶段性测试通过后方可进行实验操作；（3）按指定的步骤进行实验操作，获得相关的实验数据；（4）撰写实验模块二的实验报告，对比实验结果和预测结果，进行讨论和分析。本实验模块演示和验证机身壁板中裂纹在疲劳载荷谱作用下的扩展与破坏行为，学生预期将掌握以应力强度因子变程为主要控制因素的疲劳裂纹扩展和剩余寿命的分析方法。
最后进行实验模块三的学习和操作，对补强后的机身壁板断裂行为进行探究。主要教学环节由：（1）对课本知识进行扩展，学习含裂纹结构的修补技术，以及实验预测应力强度因子的方法；（2）按指定的步骤进行实验操作，获得相关的实验数据；（3）撰写实验模块三的实验报告，对比实验结果和预测结果，进行讨论和分析。本实验模块演示含裂纹飞机结构的复合材料胶接补强技术以及补强后的疲劳裂纹扩展行为，验证补强的效果，学生预期将掌握复杂结构应力强度因子的实验测试方法以及补强的机理，即复合材料补片降低了裂纹的应力强度因子。