基于CATIA的模擬仿真在飛機維修實訓教學中的應用研究

王 江，文 韜，李向新

(長沙航空職業技術學院，湖南 長沙 410124)

現代飛機制造技術飛速發展的今天，各種數字化技術層出不窮，數字技術［1］在飛機維修行業也得以大量應用。現代飛機的設計，制造，驗證均依托于計算機輔助數字技術。現在飛機制造以全機數字化模型為飛機制造生產唯一的外型樣板和尺寸數據源。以飛機產品數字化模型為主線，貫穿整個飛機的產品生產管理周期。在航空制造中，產品生產周期管理的核心平臺就是CATIA。基于現在的數字化維修技術，CATIA在教學模擬實訓中的應用［2］飛速發展，隨著CATIA在飛機維修中的應用也不斷深入，今后在飛機維修專業的教學當中也會大量涉及。數字仿真不但能輔助理論教學，而且可以完善和豐富數字化實訓中心的課程。

1 CATIA模擬實訓系統簡介

CATIA是由法國達索公司面向航空和航天工業開發的3D CAD/CAM/CAE集成系統軟件。CATIA源于航空航天業，其用戶群體在世界制造業中具有舉足輕重的地位。波音飛機公司使用CATIA完成了整個波音777的電子裝配，創造了業界的一個奇跡，從而也確定了 CATIA在CAD/CAE/CAM行業內的領先地位。

CATIA采用特征造型和參數化造型技術可以精確地建立、修改與分析3D幾何模型;具有超強的曲面造型功能，其曲面造型功能包含了高級曲面設計和自由外形設計，用于三維的零件和約束的機械裝配件，自動地對零件間的連接進行定義，便于對運動機構進行早期分析，方便了飛機部附件的裝配，后續應用則可利用此模型進行進一步的設計維修流程與維修操作仿真。

2 傳統飛機維修專業實訓存在的問題

飛機維修專業實訓是飛機維修專業理實一體化課程的一部分，是培養一個飛機維修高端技能型人才的必要環節。其主要課程目標是使學生熟悉飛機的構造與系統工作原理，了解飛機典型附件修理的方法與要求，熟悉各種工具和設備的使用與維護知識，掌握飛機維修的基本技能與方法，培養學生從事飛機修理，分析問題、解決問題的能力及學生工程實踐的能力。飛機維修專業實訓是認識飛機構造與系統，是裝配技術理論課程的實踐和應用。傳統的教學采用理實一體化雖取得了較好的教學效果，但仍然存在一些問題:

(1)飛機維修工位和實訓載體數量有限很難滿足全體學生獨立實訓的要求。

(2)飛機結構復雜，附件門類多樣，維修項目多，因此僅限于開展典型飛機結構及附件的實訓項目，實訓開展的范圍受限，很難讓學生對飛機系統有整體的概念。

(3)飛機維修實訓中使用的清洗劑易燃，使用的飛機實訓載體較大這都妨礙了實訓的深入開展。

(4)實訓時拆裝過程均會對飛機載體造成損耗，限制了實訓的操作次數。而飛機結構復雜，附件多樣，有限的操作次數不能讓學生牢記實訓步驟，對操作的工作原理理解不深。

(5)傳統的飛機維修一體化實訓操作工卡多，操作過程記錄量大，考核方式單一，缺乏一個科學、高效、規范的學生實訓記錄及評價體系。針對學生的個人評價依據整組的表現和印象，缺少客觀的判斷依據。

針對以上問題加入CATIA模擬實訓環節后能得到很好的解決。

3 仿真模擬實訓體系的搭建

3.1 CATIA模擬實訓仿真系統的指導思想

通過CATIA完成飛機維修實訓載體的零件實體造型。在CATIA虛擬仿真系統環境下完成飛機結構與系統的數字化模型，以飛機部附件零件數字模型完成飛機的分解裝配仿真。將飛機的數字化模型，裝配數模，裝配記錄文檔以及過程演示視頻等做成壓縮實訓包。通過實訓數據包對飛機維修實訓課程進行整合完成模塊化，構建完整系列化的系統仿真實訓方案和考核評價體系。

3.2 仿真實訓包的應用

課程演示:仿真實訓包不但用于飛機實訓教學，還可擴展到《飛機空氣動力學》、《飛機結構與系統》、《飛機裝配與調試》和《直升機構造與系統》等理論課程的教學中，豐富這些課程的輔助教學手段，增加趣味性。能夠很便利地演示飛行原理，展示飛機真實結構，不再受教學場地的限制。

實訓運用:飛機維修實訓教學中，教師先將實訓的操作工卡，零件的數模，裝配模型，分解裝配過程視頻放入實訓包。學生根據實訓包要求進行仿真實訓操作，保存其仿真分解裝配文件和過程視頻，填寫實訓工卡，最后以數據包的形式提交實訓操作結果。

圖1 飛機虛擬數字化數據包

目前，航空維修專業的實訓模式主要以理實一體化為主。分為理論講授，操作演示，學生實訓，教師點評等步驟。課堂教學過程借助多媒體演示，方式陳舊。而采用CATIA模型模擬實訓系統［3］是充分吸收了上述實訓模式的精華，從系統的角度出發提升實訓的系統性。學生操作步驟，操作過程全程記錄，整個模擬實訓幾乎再現了工廠維修現場和操作步驟。包括實訓工卡的填寫在內的模擬修理的真實維修環境，包含飛機修理的各個環節。讓學生通過模擬了解企業維修的場景，達到迅速上崗的目的，進一步實現教學與產業對接。

平臺的建立主要是實訓載體的數字化，分為:實訓載體外部尺寸測量以及分解之后各零件尺寸的測量(如圖2)，實訓零件參數化和系列化，零件分解，裝配，生成爆炸視圖，裝配和分解過程逐幀記錄。

圖2 飛機附件CATIA仿真實訓方案

3.3 某型飛機機翼結構模擬裝配中的運用實例

(1)CATIA零件實體造型

打開CATIA v5軟件進入造型設計模塊如圖3。

圖3 零件設計菜單

圖4 裝配菜單

根據前期測量參數進入草圖，約束好尺寸之后生成零件實體。為取得較好的效果，對實體填充材料渲染等操作后得到零件，如圖5、6、7這里只列舉了主要零件。按裝配的順序對零件進行編號保存。

圖5 參數化翼肋

圖6 參數化翼梁

圖7 蒙皮

CATIA的造型是尺寸驅動的，便于系列化和參數化(如圖8)。對于系列化零件比如螺栓，鉚釘，根據尺寸制成Excel表格導入到CATIA參數當中就能生成系列化的零件，簡單高效。針對飛機零件中的復雜曲面CATIA也提供了強大的曲面造型功能。

圖8 參數化

(2)飛機附件零件的裝配過程。

首先零件的裝配必須要在CATIA的裝配模塊中完成(圖4)，最后完成總裝圖(圖9)。每個操作步驟，零件在裝配過程中的順序、路徑都通過軟件記錄以視頻樣本的形式保存。CATIA裝配需要按照位置約束來實現，平面與平面的配合按照約束關系，在裝配完成之后形成文本參數以文檔形式保存。

圖9 裝配約束

記錄整個裝配過程，采用分布記錄方式。一般采用第三方軟件屏幕錄像專家或CATIA自帶視頻記錄功能輸出，后者占用軟件資源影響操作，但記錄詳實，如圖10所示。

圖10 錄制過程視頻

分解之后形成爆炸視圖，爆炸視圖可根據個人習慣自行調整零件位置。最后輸出裝配過程視頻文件，最常用的是avi格式。所有在分解和裝配過程中錄制的視頻和產生的文件都是用來做為實訓操作考核的依據。

4 CATIA在飛機實訓教學中的意義

(1)實現簡單，可移植性強。利用操作實訓的機房安裝CATIA V5軟件實現硬件平臺的搭建。在實訓包方面可以選擇獨立造型創建也可由航空企業引進。中航工業制造過程中已有飛機整體數字化樣機。CATIA的3D模型不但可以用于飛機維修實訓理實教學活動中，也可用于飛機結構實驗［4］實訓的動態演示，實現從理論課堂到實踐操作的無縫對接。操作過程的視頻可用于對維修步驟操作的考核依據。

(2)通用擴展性強，更新速度快。實訓載體都是軟件模型，收集相關參數即可創建更新速度快。CATIA平臺也是中航工業實現飛機全機數字化制造的平臺。實現飛機維修實訓教學的仿真數字化就能與飛機裝配工裝數字化制造［5］對接，更好的服務航空產業。

(3)仿真實訓不能取代真實的實訓操作，但它能使實踐操作效率更高，減少對實訓耗材的不必要的讓費，節約實訓成本。它的加入增強了實訓的多樣性和趣味，豐富了我們的想像空間。對于現在部分實訓課程仍然缺乏真實實訓載體和實訓設施的前提下，仿真實訓就變成了唯一的實現方式。

(4)飛機維修是航空工業的下游產業，只有實現飛機維修人才培養教學方式的軟件數字化才能融入到飛機的整個產業鏈中，最終實現我們的航空強國夢。

［1］劉斌，蔡海鵬.數字化航空維修體系構想［J］.長沙航空職業技術學院學報，2012，(1).

［2］郝國森，陳領會，李瑞彩，等.3D模擬實訓系統在物流實訓教學中的應用［J］.中國市場，2007，(45).

［3］曹俊生.基于CATIA/CAA的飛機結構虛擬裝配信息模型［D］.南京:南京航空航天大學，2005.

［4］巴塔西，法洋洋，于哲峰，等.基于CATIA的飛機結構試驗加載杠桿系統參數化建模方法［J］.實驗室研究與探索，2012，(2).

［5］張平.基于CATIA的裝配工裝數字化設計制造技術［J］.航空標準化與質量，2003，(6).