航空發動機虛擬裝配培訓實驗平臺的構建與實現

張 青, 趙洪利, 郭 慶, 王 炫

(中國民航大學，天津 300300)

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航空發動機虛擬裝配培訓實驗平臺的構建與實現

張 青, 趙洪利, 郭 慶, 王 炫

(中國民航大學，天津 300300)

針對航空發動機機型和發動機裝配與修理課程實驗教學，探討了仿真實驗實踐教學模式，構建了基于Cortona3D航空發動機虛擬裝配培訓實驗平臺，提出了實驗平臺的整體設計思路，提供了一種即時、動態、交互的認知形式，該虛擬裝配培訓實驗平臺可以讓教學的表現形式豐富多彩且具有實用性和可操作性，經過幾屆學生的試用取得了良好的教學效果。

航空發動機; 虛擬裝配; 虛擬實驗平臺; 實驗教學

0 引 言

隨著虛擬仿真技術的發展，構建航空發動機虛擬裝配培訓實驗平臺，代替實物實踐教學，不但可滿足實踐教學需要，而且降低了教學成本。虛擬維修技術也是目前國內外飛機、發動機廠商大力研究的重點，各大飛機、發動機制造商都在開發虛擬維修系統，并把它們用在制定飛機、發動機維修手冊等技術文檔中[1]。為了提高發動機理論和維護實踐教學效果，落實國家教委關于虛擬仿真實驗教學建設的要求，推動我校飛行器動力工程專業的建設，自2009年就開始航空發動機虛擬維修教學實踐研究，為了擴展虛擬培訓系統的應用，形成教、學、考一套完善的教學體系，需要開發一套結合發動機虛擬裝配教學的培訓實驗系統，通過該系統可形成一整套航空發動機虛擬仿真維護教學系統，為實現航空發動機虛擬仿真教學在我校打下堅實的基礎[2]。開發的航空發動機虛擬裝配培訓實驗系統具有可視化真實交互環境，按照發動機維護手冊的步驟逐步指引學生，在三維虛擬環境下進行維護操作，系統可對學習效果考核，學生通過上機考試，點選發動機3D部件，回答考核問題，完成虛擬維修培訓課程學習后，考察學生的學習結果，分析學生所學內容的掌握情況。因此，將虛擬仿真技術科學合理地應用于教學對于推動實踐教學改革具有重要意義[3]。

1 實驗平臺整體設計框架

1.1 系統設計框架

為改革傳統教學模式，以發動機可視化模型為載體，實現維護培訓內容形象化，此實驗平臺遵循把虛擬仿真技術應用到航空維修培訓各領域的思路，為了突出虛擬仿真特色，區別于傳統的實驗方式，系統設計的重點是虛擬維修環境和實驗培訓內容的結合，系統提供一個模擬的三維實物維護操作平臺,真實地模擬出學生進行裝配操作時能看到的真實場景,使學生產生身臨其境的感覺,學生通過鼠標和鍵盤與操作系統進行交互,同時實驗平臺做出與實際情況相符的響應并通過電腦顯示屏實時顯示[4]。航空發動機虛擬裝配培訓實驗平臺包含三個功能模塊：①虛擬裝配學習模塊； ②虛擬裝配培訓模塊；③虛擬裝配考核模塊。

實驗平臺整體設計框架如圖1所示，該實驗平臺按機型和ATA章節鏈接整理，根據實踐教學和機務維修工作特點設計虛擬教學系統人機界面，使用VRML技術進行虛擬培訓系統開發以及數據管理系統研究，結合Java、HTML、JavaScript等編程技術，通過對JavaScript代碼編輯，使用B/S結構記錄用戶數據，通過HTML網頁進行網上交流和學習，結合腳本語言JavaScript實現文本信息與圖像信息的聯系，實現復雜的交互功能，實現以數據庫(ACCESS)為基礎的在線虛擬考核系統[5]。這樣做可以充分發揮虛擬仿真技術的特點，便于實施交互性的操作。ACCESS數據庫作為學生成績的儲存[6]。

圖1 實驗平臺整體設計框架

1.2 虛擬裝配培訓實驗平臺開發步驟

(1)開發發動機本體結構和系統數字樣機。利用CATIA和Solidworks進行建模，通過 VRMLPAD 進行模型輕量化處理，進行層次細節選擇、渲染到紋理等，添加材質、貼圖后，調整裝配樹結構，然后導入VRML場景進行修改和優化[7]。運用3DS MAX建模軟件建立發動機大修車間系統場景和虛擬維修人員模型[8]，包括虛擬裝配場景模型(如修理車間、修理工具如螺絲刀、扳手、刀具類、錘類、鉗類、軌道、支架、吊鉤等)以及其他實體模型(如廠房、地面等)。

(2)虛擬維修動作和虛擬環境的開發。利用Cortona3D虛擬現實軟件開發虛擬維修環境下的航空發動機裝配培訓系統，Cortona3D的RapidLearning模塊中有大量動作庫(Action union)如：拆卸部件(Rmove the object)、移動部件(Move the object)、展示部件(Show the object)、隱藏部件(Hide the object)等。每個動作設有不同的子動作，分別為：閃爍-移動-消失(Flash-Transform-MakeInvisible)、閃爍-消失(Flash-MakeInvisible)、移動-消失(Transform-MakeInvisible)、僅消失(MakeInvisibleOnly)，其操作界面如圖2、3所示。根據 B737 和 A320 的 AMM 飛機維修手冊中航線維護程序，發動機廠商提供的EM發動機維護手冊，結合航空維修企業的OMP，制作三維動畫直觀展示航線維護的操作過程及發動機各系統工作原理，開發發動機本體拆裝和各系統維護動作流程以及工作原理展示，將操作動畫和文本關聯起來，學生可觀察發動機每一步的拆裝動畫和工作原理動畫，并與三維模型隨時交互，如轉動，局部放大，閱讀相關聯的文檔等[9]。

(3)編寫培訓內容。基于對發動機結構、系統、工作原理和維護流程的分析，制定學習及考核范圍和內容，編寫考核題?？己藘热菀Y合虛擬仿真的維修流程，突出實際維護工作。利用Cortona3D軟件，結合開發的虛擬維修動作流程和工作原理，植入考題，使考題與虛擬仿真融合在一起，使試題與模擬仿真的維修動作、工作原理等對應[10]。

(4)虛擬裝配培訓實驗平臺開發。把實驗平臺分為“演示”、“學習”、“考核”三種訓練模式。建立基于Web的實驗平臺。選擇考核模塊后，仿真系統將自動進入考核模式的訓練，系統將運行并對操作進行記錄，它要求操作者在特定的時間內完成操作。通過點擊下拉菜單選擇正確的答案，點擊提交按鈕，同時有點選三維部件，部件識別的問題，當考生選擇了正確的選擇并點擊提交后，在右側的3D演示框中會播放正確拆裝動畫，幫助學員加深記憶，鞏固所學知識?？忌瓿伤蓄}目后，系統會彈出網頁文本框要求培訓學員輸入姓名、學號，而后向考核展示此次考核成績，同時在虛擬實驗室的子計算機上作答完畢后分數自動發送給實驗室主機，并將此次成績其記錄到數據庫中。

圖2 RapidLearning動畫仿真操作界面

圖3 編輯仿真動畫界面

2 航空發動機虛擬裝配培訓實驗平臺

2.1 實驗內容設計

(1)發動機本體結構。包括結構特點、轉子支承方案、轉子裝配流程等。

(2)滑油系統。包括系統組成部件、滑油流動過程、維護所涉及到的油量檢查、部件更換等[12]。

(3)燃油系統。包括系統組成部件、主要部件拆裝和系統維護等。

(4)氣流控制系統。包括可調靜子葉片系統，放氣活門系統和渦輪間隙控制系統。

(5)發動機起動系統。包括日常勤務和主要部件拆裝。

(6)發動機點火系統。

(7)反推系統。工作原理、維護流程。

2.2 人機界面設計

開發的航空發動機虛擬裝配培訓實驗平臺可用于發動機構造課、發動機機型課和發動機裝配與修理課程的教學過程。使用者通過選擇機型進入不同發動機的培訓學習內容，內容按ATA編碼進行管理，通過選擇不同章節編碼進入相應系統的培訓界面。學生完成培訓實驗內容后提交，成績自動顯示[13]。

3 虛擬實驗應用實例及效果

為改變傳統實驗課程現狀，提高教學效果，在課程組的推動下，在日常教學實踐活動中，嘗試對2011級飛行器動力工程專業卓越班和2010級飛行器制造工程專業普通班進行實驗課程培訓試點。對學生學期成績采用下列計算方式：本學期總評=期末考試(70%)+實驗成績(30%)。實驗成績系利用該虛擬實驗平臺，來檢查學生對所學章節的掌握情況，這種虛擬環境下進行培訓學習，不但可檢查教學效果，更主要是使學生加深印象，釋疑課上不清楚內容的過程[14]。

2011級卓越班“航空發動機裝配與修理”課程，本課程以我國民航常用典型發動機為重點，反映民航發動機裝配和維修技術，培養學生維修民航發動機的能力，通過本課程的學習，使學生掌握航空發動機的航線維護與內場修理的流程與方法，主要培訓內容為發動機關鍵部件的裝配流程、以及拆裝流程所使用的工具和注意事項，并培養學生閱讀發動機維護手冊的能力。由于課堂講解主要是以課本為主，為了讓學生了解實物發動機的維修、裝配流程，在平時實驗教學中應用了該系統。

在卓越班“航空發動機裝配與修理”課程虛擬實驗課程改革中，加大了學生對發動機拆裝步驟及發動機零部件識別的考查，充分體現了航空發動機裝配與修理課程實踐性強的特點，調動了學生學習的積極性，全面地考查了學生在“航空發動機裝配與修理”課程應該要掌握的基本知識和維護發動機基本能力。教材有四章內容，每部分學完后，進行一次上機學習培訓。從學生滿意度調查中可以看出，學生很喜歡這種培訓方式，它會促使那些只會考試而動手能力差的同學自覺地在學習過程中有目的地增強實踐能力。實驗考核改革后，30%的平時成績分布參見圖4所示，從中可見80%以上學生掌握和理解了所學內容[15]。

4 結 語

綜上所述，該虛擬實驗平臺用于發動機構造、航空發動機機型、發動機裝配與修理和學生網上自學課程，有效解決了教學實踐中的諸多問題，得到廣大教師和學生的認可，分析其原因可歸結為以下幾點[1]。

圖4 航空發動機裝配與修理實驗課程成績

(1)實驗方式的創新。該實驗平臺最大亮點是在虛擬維修環境下進行，培訓內容以電子樣機的形式展示，學生可在虛擬環境下能對電子樣機進行各種操作(放大、縮小、旋轉等)，并模擬實際操作過程，使學生就像在實體發動機上考核一樣，同時考核系統還有虛擬維護操作流程的展示，它不但是考核過程，同時也是加深理解和印象的學習過程，從而避免學生平時機型考試的死記硬背，進而使掌握的知識更牢固[16]。

(2)實驗內容創新。實驗平臺有電子樣機和虛擬交互環境，以及維護流程的展示，培訓學習內容更貼近實際維護，如拆裝流程、部件識別、維護操作安全，從而加強學生的工程實踐能力。

(3)實驗技術創新。實驗綜合利用虛擬仿真、網頁設計和數據庫等技術，使得該系統即可在單臺計算機上運行，也可在聯網的多臺計算機上運行。學生提交實驗結果后即可知道自己的成績，教師通過后臺數據庫，統計學生成績。由于培訓學習內容是按機型和ATA章節進行分類，實施實驗的第一種方式是學生根據自己學習過程，選擇實驗內容，即學生檢查自學成果；第二種方式是老師按實際教學進度統一實驗內容。

[1] 郭 慶,趙洪利,閆國華.虛擬實驗在航空發動機教學中的應用與思考[J].中國民航大學學報,2014,32(4):60-64.

[2] 高 穎,鐘 嘯,許志國,等.基于VR技術的航空發動機虛擬教學實驗系統設計[J].系統仿真學報, 2008, 20(11):2925-2930.

[3] 邵亞楠,高 穎,許志國,等.航空發動機教學實驗系統的虛擬裝配技術研究[J].計算機仿真,2008,25(9);284-288.

[4] 馬岑睿,嚴 聰,張成濤,等.火箭發動機工作過程仿真實驗教學改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2011, 30(9): 148-151.

[5] 鄭 軼,寧汝新,劉檢華,等.虛擬裝配關鍵技術及其發展[J].系統仿真學報, 2006, 18(3): 649-654.

[6] 胡小強.虛擬現實技術[M].北京:北京郵電大學出版社，2005.

[7] 劉曉暉,萬麗莉,季 紅,等.基于中文語音交互的虛擬裝配技術研究[J].系統仿真學報, 2014,26(9):2056-2061.

[8] 付曉靚.基于 Virtools與Flash 的實時交互虛擬NMR實驗室的構建[D].大連:大連理工大學,2011.[9] Kaufman Stephen G, Wilson Randall H. The Archimedes 2 Mechanical Assembly Planning System [C]//Proc of IEEE International Conf on Robotics and Automation. USA: IEEE, 1996: 3361-3368.

[10] Michael Weyrich, Paul Drews. An Interactive Environment for Virtual Manufacturing: the Virtual Workbench [J]. The Computers in Industry, 1999, 38(1): 5-15.

[11] 李書明,林兆福.民用航空燃氣渦輪發動機構造與系統[M].北京:兵器工業出版社,2005: 268- 280.

[12] 唐慶如,敖良忠,夏存江,等.CFM56- 7B發動機航線維護教程[M].成都:四川大學出版社,2003: 196- 203.

[13] 郭 慶,彭鴻博,閆國華.航空發動機虛擬展示課件設計與應用[J].實驗技術與管理,2011,28(3);91-93.

[14] 郭美榮,侴愛輝,夏德宏,等.可視化教學法在實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索,2012, 31(11):128-130.

[15] 王 輝,魏志民,郭 慶,等.發動機啟動點火裝置仿真訓練系統開發[J].實驗室研究與探索, 2013, 32(1): 46-69.

[16] 郭 慶,王翔宇,王元爭.基于U3D的航空發動機渦輪裝配模擬器開發[J].實驗技術與管理, 2012, 29(4): 111-114.

Construction and Implementation Virtual Assembly Training Experiment Platform for Aeroengine

ZHANGQing,ZHAOHong-li,GUOQing,WANGXuan

(Civil Aviation University of China, Tianjin 300300)

The article discussed how to innovate simulation teaching mode for the course of Aviation Power Plant and Engine assembly and repair．A simulation experiment system about aviation engine assembly and repair was completed and has gained very good teaching effect．The shortage problems of teaching resources are settled, and a real-time, dynamic, interactive study method is provided. The virtual platform can enrich the teaching process, and shows that it has the practicability and maneuverability.

aeroengine; virtual assembly; virtual experiment platform; experimental teaching

2015-06-11

天津市普通高等學校本科教學質量與教學改革研究計劃項目(D02-0820);中央高?；究蒲袠I務費中國民航大學專項(3122015D011)；中國民航大學教育教學改革研究課題(CAUC-ETRN-2013-13)

張 青(1986-)，女，天津人，碩士，講師，研究方向：計算機仿真和航空發動機噪聲與排放。

E-mail：zhangqing.guagua@163.com

V 241.7;TP 391.9

A

1006-7167(2016)05-0097-04