基于虛擬仿真技術的航空發動機油封模擬系統

摘 要:我軍航空發動機油封工作中存在的問題阻礙了航空發動機油封技術的訓練。為解決該問題，開發了一套航空發動機油封模擬系統。它利用虛擬仿真技術模擬航空發動機油封操作過程，是一種集油封虛擬訓練和考核評價于一體、經濟實用的現代化教學手段。根據航空發動機油封操作規程，系統功能設計包括引導提示、油封仿真、考核評價三個模塊，油封仿真是核心，它包括視景仿真、運動仿真、音響仿真、操作仿真四個子功能，能夠提供等同于實操，甚至更好的訓練效果，具有重大的經濟效益和軍事效益。

關鍵詞:油封仿真; 航空發動機; 虛擬仿真技術; 軍事效率

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)08-0067-03

Simulation System for Aero Engine Oil Seal Based on Virtual Simulation Technology

GUO Feng， WU Shao-jun， ZHOU Bin， GAO Wei

(Navy Aeronautical Engineering Institue Qingdao Branch， Qingdao 266041， China)

Abstract:The work of military aero-engine oil seal exists the problem that hinders the training of aero-engine oil seal technology. The solution is to develop a set of aero-engine oil seal simulation system， which uses virtual simulation technology to simulate the operating process of aero-engine oil seal， and is a integration of oil seal simulative training and the appraisal， as well as economic and practical modern teaching methods. According to aero-engine oil seal operational procedures， system function design includes three modules such as guiding tips， seal simulation and assessment. The seal simulation is the core， which includes four sub-functions such as visual simulation，motion simulation，sound simulation， operation simulation， can provide equivalent or better training results， and has great economic and military benefits. The system′s innovation is the application of the virtual simulation technology in aero-engine oil seal′s training.

Key words:oil seal; aero-engine; virtual simulation technology; military benefit

0 引 言

目前虛擬仿真技術廣泛應用于自動控制、醫療康復、教育娛樂、維修訓練、軍事訓練等各個領域[1-4]。虛擬本質是客觀事物在計算機上的一種仿真實現，是一種由計算機全部或部分生成的多維感覺環境，通過特殊的頭盔、數據手套等傳感設備進入虛擬空間，感知和實時操作虛擬世界中的各種對象，使參與者有身臨其境的感覺，能體驗、接受和認識客觀世界中的客觀事物。

虛擬仿真技術應用于航空發動機油封訓練是當前我軍航空發動機油封工作的迫切需要。我軍航空發動機的油封設備多為20世紀80年代生產，可滿足老舊機種的油封工作。由于一些進口和國產的新機種逐漸成為我軍主戰機種，目前的油封設備已無法滿足其發動機油封的需要。另外，航空發動機油封技術含量高，操作規程復雜，油封設備操作較為嚴格，要求操作人員本身應具有較強的責任心和專業的油封工作技術和經驗。目前，我軍院校基本沒有開設相應的油封專業學科，油封人才基本靠“師傅帶徒弟”的模式來培養，很難滿足目前航空發動機油封工作的實際需要。

這些問題嚴重影響了航空發動機油封技術的訓練，而利用虛擬仿真技術能夠創建出真實感和沉浸感較強的航空發動機油封環境，為航空發動機油封工作提供油封虛擬訓練，有助于提高油封人員的操作水平和操作技能。虛擬仿真技術已經成熟并廣泛應用，因此開發一套航空發動機油封模擬系統已成為一種既經濟又實用的解決方法。

1 開發工具

航空發動機油封模擬系統采用目前世界上廣泛使用的工業仿真軟件Creator，GL Studio，Vega Prime和Visual C++ 6.0進行開發[5-6]。

Creator是世界上領先的實時三維數據庫生成系統，可以用來對發動機、油封設備、倉庫等實物場景進行三維建模。油封設備的各種儀表是由GL Studio來建模的，并以可視化模型數據庫的形式生成OpenFlight(.flt)文件格式標準的層次視景數據庫。然后，OpenFlight文件再調入Vega Prime，成為實時仿真的一部分。

Vega Prime具有良好的圖形環境界面和完全面向對象的C++語言應用程序接口API，豐富的實用庫函數及大量的功能模塊可滿足拆卸油管，控制油封設備進行油封等多種仿真要求[7-8]。

但是，Vega Prime本身不能實現人機交互，還需要用Visual C++ 6.0進行系統集成。該系統以Visual C++ 6.0為開發平臺，使用Vega Prime的函數庫，并通過復雜的編程，實現對虛擬場景、環境、運動的模擬仿真。

2 系統分析及設計

航空發動機油封模擬系統包括訓練和考核兩種模式。訓練模式的特點是系統需要具備操作引導和錯誤提示功能;考核模式的特點是系統需要具備評價功能。

為了滿足油封訓練和考核的需要，航空發動機油封模擬系統設置了引導提示、油封仿真、考核評價三個功能模塊，如圖1所示。

圖1 航空發動機油封模擬系統功能模塊

其中，油封仿真又包括視景仿真、運動仿真、音響仿真、操作仿真四個子功能模塊。視景仿真、音響仿真是實現航空發動機模擬訓練系統沉浸感的重要因素;運動仿真、操作仿真是實現學員與虛擬油封設備和環境之間交互的主要手段;引導提示、考核評價是整個系統的必要組成部分[9]。

2.1 引導提示

引導提示功能用于在初次練習時進行操作引導，操作錯誤時進行判斷并提示。當操作熟練以后可取消引導或者提示再進行練習。

2.2 油封仿真

2.2.1 視景仿真

視景仿真是將航空發動機油封過程中實體建立數字化的模型，如道路、倉庫、油封車、電源車、發動機、油管和電纜、扳手等工具、各種油料、履歷本、包裝材料、油封專用車等。其中，發動機的內部結構模型對于油封模擬訓練系統來說不需要建模，所以重點是建立發動機的外部結構模型。發動機的外部結構模型比較復雜，主要是建立各種開關和油封時需要連接油管、電纜的器材及其接頭帽蓋、鉛封的模型，其次是建立發動機及其外部附件的外形建模，細節部分要充分利用貼圖來進行建模。

建模時，采用通用模型庫的方法，為不同類型的組件設立相應的模型庫，使模型的調用及管理更為方便。

2.2.2 運動仿真

運動仿真是進一步提高油封仿真系統逼真度的有效手段。它通過模擬油封操作中的運動和控制，逼真地模擬實際油封過程中的各種運動，如拿放和安裝油管、電纜，拆卸鉛封、螺蓋，控制油封車、電源車、發動機上的各種開關，吊裝發動機并安裝在專用車上，推動專用車并將其上的發動機噴口對準抽風口，油封時滑油噴向抽風口的過程，把舊滑油放出時的過程等。

另外，對于油封時的油壓、電壓等都有嚴格規定，因此需要模擬出油封車、電源車各種儀表指針的運動，以便于觀察油壓、電壓是否達到規定值或者規定范圍。

2.2.3 音響仿真

音響仿真是利用計算機多媒體技術，生成油封過程中的聲音信息，包括拆卸鉛封、螺蓋，控制油封車、電源車、發動機上的各種開關，吊裝發動機，推動專用車，發動機冷轉時轉子轉動，打開油封車的調試開關時，發動機各電磁開關接通等動作發生時的聲音。

2.2.4 操作仿真

操作仿真用于真實地模擬航空發動機的油封過程。因為航空發動機油封工作中的每一步操作都必須嚴格按照油封操作規程執行，所以操作仿真必須能夠模擬油封操作規程的各個環節。

航空發動機油封模擬系統是模擬航空發動機的重油封，其油封操作規程包括一般要求和注意事項、發動機的解封、油封前的準備、發動機的內部油封、發動機外部清洗和油封、發動機的包裝和裝箱六個步驟，如圖2所示。

圖2 航空發動機油封操作規程圖

但是，航空發動機油封操作規程中不完全是操作，還有一般要求和注意事項等非操作性的內容，因此在油封仿真系統中除了對具體操作進行仿真外，還需要在操作它的過程中對一般要求和注意事項，設置選擇、簡答等形式的問題，答對后再進行下一步驟的操作。

2.3 考核評價

考核評價是一個油封專家系統，由油封操作規則庫和考核評分規則庫兩部分構成。油封操作規則庫是根據操作仿真模塊設定航空發動機油封過程中的各個操作環節制定的，考核評分規則庫是在油封操作規則庫的基礎上對油封操作進行量化，即為油封考核的評分標準。這兩種規則庫都保存在數據庫中，油封時將具體操作與規則庫進行比較，自動完成考核評價，如果是訓練模式，則自動進行操作引導錯誤提示。

考核必須完全依據油封操作規程來制定評價標準，而且必須是惟一的評價標準，即正確完成所有操作的為合格，否則為不合格。這是因為如果操作過程中出現漏做、做錯或者順序顛倒，都是不合規定的，都可能釀成重大的事故，而相關人員還需要追究責任。因此，操作過程中的所有環節絕對不能出現上述失誤，而且必須完全正確。例如，某型航空發動機油封時起動發電機的接線座有“B”，“+”，“-”，“C”四個接頭，在連接油封車的起動電纜接頭時必須一一對應，而且還要求起動發電機的“+”接頭不接線，如果接錯就可能造成幾十萬乃至幾百萬的損失。

根據考核評價的需要，系統要能夠記錄操作過程并可進行回放，作為考核的歷史記錄予以保存。

3 系統應用

航空發動機油封模擬系統主要用于裝備航空院校的航材油封專業，實現各種航空發動機油封的虛擬訓練，具有重大的經濟效益和軍事效益[10]。

在實際操作之前，通過航空發動機油封模擬系統進行虛擬訓練，可對發動機油封工作獲得感性認識;進行基本動作的訓練，可消除開始實操時的緊張和恐懼心理;進行油封虛擬訓練，能正確模擬發動機油封操作，可以取代實操訓練中的部分科目和內容，而且取得比實操訓練更好的效果;油封虛擬訓練取代了傳統的人教人、師帶徒的落后教學方式，按統一規范要求學員，有利于油封培訓的正規化、科學化和規范化;油封虛擬訓練不受時間、場地、氣候的限制，無需耗費大量昂貴的油料和較多的人力資源，也可避免由于學員操作不當而損壞發動機及各種設備，經濟效益顯著。另外，航空發動機油封模擬系統也可以用于航空發動機封存工藝的研究，為將來新機種裝備部隊的發動機油封工作奠定基礎，軍事效益明顯。

4 結 語

航空發動機油封模擬系統是基于通用的計算機軟/硬件平臺，應用虛擬仿真技術，集訓練和考核于一體的多功能航空發動機油封培訓教學系統。但是，要注意不同型號的航空發動機，其油封操作規程不同，所以航空發動機油封模擬系統只能針對具體型號的發動機進行開發，也只能針對相應型號的發動機進行訓練。

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