飛機附件三維數字資源庫建設的實踐探索

王志剛

(吉林化工學院 航空工程學院，吉林 吉林 132102)

飛機是代表一個國家科學水平和技術實力的重要標志性產品，隨著我國科技的進步和經濟的發展，航空業得到了前所未有的高速發展.據國際航空運輸協會預測：到2020年，我國僅民航業人才缺口接近50萬，特別是機務維修人才近幾年來深受用人單位歡迎.另外，隨著我國低空領域的逐步開放，國家鼓勵各省的地級市都建立支線機場，為航空教育事業發展帶來了難得的機遇.

技能的培養和提高離不開實踐，特別是維修復雜而精密的飛機產品，學生只有進行反復的實際操作練習才能技術過硬、操作精準.而航空維修專業教學中存在的難題導致了不少院校望而卻步.主要難題一是飛機產品價格昂貴，學校買不起大量的飛機部附件用于實訓教學；二是飛機部附件結構復雜，拆裝繁瑣，組織實訓困難重重；三是航空維修企業稀少，安排學生到航空企業實習困難.加之航修企業出于對飛機產品的質量和飛行安全的考慮，不愿意接收學生實習，即使勉強接收，也只是讓學生參觀實習，基本上不允許學生在飛機上實操訓練.為達到提高學生動手能力的培養目標，通過虛擬裝配進行仿真練習是一條可行之路.

虛擬裝配[1](Virtual Assembly)技術近年來受到了學術界和工業界的廣泛關注，國外對虛擬裝配技術的研究起步于20世紀90年代中期，發展勢頭迅猛.國內中國科學院軟件研究所、北京航空航天大學對虛擬裝配技術的研發起步于20世紀90年代末期，發展的速度較快，取得了很多科研成果，但和國外同類機構還有一定的差距[2].虛擬裝配技術現已經廣泛應用于機械制造、數控技術、機電一體化等通用專業的教育、教學和培訓中，與各自專業相配套的資源庫也開發的較為成熟和完善.但航空維修專業面對的機型種類繁多，飛機部附件結構復雜，技術資料嚴格保密，資源庫建設工程量巨大，成本高昂，所以目前國內很少有廠家開發航空維修專業教學使用的飛機部附件資源庫[3].吉林化工學院航空工程學院根據學生的實踐能力的要求，基于學校現有的實訓條件，對飛機部附件三維數字資源庫的建設進行了探索和研究.

1 飛機三維數字資源庫建設中關鍵問題的解決

1.1 三維模型庫的總體規劃和管理

一架飛機上所包含的部附件多達數萬個，如果三維數字模型庫不建立統一的編碼規則，以后在使用時將極不方便，也不利于后續開發三維素質模型管理數據庫.因此在進行三維模型庫創建之前首先要對模型庫中所涉及到的零件進行統一的編碼.經過對比和研究發現，按飛機組成系統進行劃分和管理比較清晰(見圖1).

圖1 數字資源庫編碼

按照這種分類編號方式簡潔明了，方便后續人員辨識和使用.例如液壓助力泵傳動軸的編號為：YY-ZB-34-CDZ-001.

1.2 三維數字模型庫的創建

1.2.1 深入研究飛機部附件功用

飛機附件的形狀有一個普遍的特點，就是小而復雜，這也是航空產品的特色.有很多具體的結構細節僅憑附件表面觀察和教材上圖紙的研究很難準確的確定，必須要認真的研究該附件的功能，在深入了解其功能需求的基礎上，再結合圖紙、實物等資源進行結構分析，進而在腦海中形成清晰的立體結構圖.

1.2.2 選擇合適的三維建模軟件

對現在比較流行的幾款三維建模軟件(如：Inventor、UG[4]、Pro/E、CATIA等)逐一進行測試、對比，最終選擇了Solid Works[5]作為此項目三維建模軟件.

SolidWorks為達索系統(Dassault Systemes S.A)下的子公司，專門負責研發與銷售機械設計軟件的視窗產品.著名的CATIA就出自該公司之手，目前達索的CAD[6]產品市場占有率居世界前列.Solidworks軟件功能強大，組件繁多.它具有功能強大、易學易用和技術創新三大特點，這使得SolidWorks成為領先的、主流的三維CAD解決方案.對于熟悉微軟的Windows系統的用戶，基本上就可以用SolidWorks來搞設計了.這些特點對于那些飛機維修專業技能比較強，但三維建模軟件操作能力比較弱的教師來講是最適合不過的了.

1.2.3 充分開發軟件功能，簡化建模強度

飛機部附件中非標準件較多，外形受飛機總體結構和空間限制，基本上都不是特別規則.如果按照常規測繪的方法進行三維模型草圖的繪制，有很多時候感覺無從下手.經過反復的研究，發現將資料中現有的圖形掃描成圖片，通過SolidWorks軟件導入成底圖，調整成合適的比例，然后依據底圖上的圖形進行繪制，這樣既可以迅速準確的繪制出部件內部結構，同時又可以保證各零件之間準確的裝配關系(見圖2).

圖2 草圖圖片建模

1.2.4 復雜部件的裝配

飛機部附件之間配合精度要求較高，配合關系特別復雜，裝配工作極端繁重.SolidWorks本身自帶的裝配功能非常強大，可以根據不同的配合需求，方便快捷的選擇零件，既可以精確地實現同軸、共線等普通的配合，還可以實現螺旋、凸輪等復雜的配合關系.所以飛機部附件的裝配也利用SolidWorks最終完成[7].由于某些飛機部件所包含的零件數目較多，考慮到模擬拆裝的需求，復雜組件可以先按工藝要求裝配成小的裝配體，然后再將這些小裝配體組合成部件裝配體，最終形成總體的三維數字模型(見圖3).

圖3 三維數字模型

2 結 論

利用先進三維建模技術，自主開發和建設飛機附件三維數字資源庫，不僅可以解決航空維修類專業教學資源短缺，購買價格昂貴等問題，還可以使教師在開發和建設過程中加深對飛機部件構造的研究和理解，提高教師的業務能力，也便于教師在教學過程中知識的傳授.飛機附件數字三維資源庫廣泛應用到飛機構造、飛機發動機維修、飛機附件維修等多門課程教學過程中，直觀立體的結構，動畫式的爆炸效果展示等特點收到了良好的教學效果.

在數字資源庫建設過程中發現，目前主流的三維建模軟件功能日趨完善，但均存在一個共性的問題，即建立的模型比較大，對設備配置要求較高.飛機部附件因其結構復雜，零配件數量眾多，故虛擬建模后產生文件更大，日常配置的計算機運行起來相當吃力.所以如何能在保證零件精度的前提下，最大限度的輕量化[8]資源庫模型以適應大多數硬件水平，尤其是能保障在網絡環境下使用是后續亟待解決的關鍵問題.

[1] 鄭秩,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.

[2] 武殿梁,楊潤黨,馬登哲,等.虛擬裝配系統及其關鍵技術[J].上海交通大學學報,2004,38(9):1539-1543.

[3] 賀芳,葉洪濤,趙昌輝.虛擬裝配技術及其在航空發動機行業的應用[J].CAD/CAM與制造業信息化,2009(9):25-26.

[4] 戶鳳榮,戶坤.基于UG8.0與PowerMILL的曲面建模及數控加工[J].吉林化工學院學報,2016(5):43-45.

[5] 褚金錢,徐方.基于Solidworks與Matlab的碼垛機器人動力學仿真[J].組合機床與自動化加工技術,2013(9):29-31.

[6] 甘樹坤,呂雪飛,康春雨.基于CAD/CAE軟件的LPG儲罐優化分析與設計[J].吉林化工學院學報,2017(1):40-43.

[7] 毛麗鳳,夏漢均.基于SolidWorks機用虎鉗的虛擬裝配與運動仿真[J].電子世界,2017(10):150.

[8] 盧婷婷,左洪福,左銳,等.可交互操作的民機輕量化數模創建方法[J].飛機設計,2017,37(2):77-80.