飛行器制造工程機翼裝配虛擬仿真試驗

趙熹　陳凱　郭拉風　關世璽　喻明讓

[摘 要] 為使學生快速掌握現代飛行器的裝配技術和裝配技能，解決飛機裝配實驗對象特殊、資源稀缺、環境匱乏和周期長等問題，采用3D建模、動畫、人機交互等技術研發了實驗教學項目。將基于飛機數字化的現代裝配技術融入實驗教學項目，建立機翼結構認知→認知考核→蒙皮熱成形工藝→成形質量評價→機翼數字化裝配→蒙皮自動鉆鉚全流程的實驗方案，在重視基礎知識考查的基礎上設置能力提升模塊，體現創新意識培養，讓學生在沉浸式認知、交互式學習、體驗式操作、探索式改進中提升裝配工藝規劃能力與綜合創新能力。

[關鍵詞] 飛行器制造工程;機翼裝配;虛擬仿真實驗

[作者簡介] 趙 熹（1983—），男，河北饒陽人，工學博士，中北大學機電工程學院副教授，主要從事輕合金變形及強韌化研究;陳 凱（1995—），男，吉林白山人，工學碩士，中北大學機電工程學院，主要從事輕合金變形及強韌化研究。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）12-0065-04? ?[收稿日期] 2020-06-29

一、專業教學現狀及建設機翼裝配虛擬仿真實驗的意義

（一）先進裝配技術的重要性

產品裝配的合理性直接影響產品的使用性能和壽命[1]。在飛機制造過程中，飛機裝配的工作量占比約為45%～60%，合理的裝配方案可以極大地降低飛機制造費用并提高生產率[2]。隨著科學技術的發展，傳統的手工裝配方式已經轉變為數字化、集成化、自動化裝配模式。良好的裝配方案可以讓制造費用降低20%～40%，同時生產率提高100%～200%。飛機數字化裝配，提高了生產效率，降低了生產成本，已經成為行業熱點[3]。

（二）專業現有教學現狀

隨著航空產品復雜性的提高和裝配方式數字化轉型，航空企業對于學生的知識水平及實踐能力的要求也在不斷提升[4]。建立飛機裝配虛擬仿真實驗是訓練學生動手能力、了解先進裝配工藝的最有效途徑。由于飛機所涉及的零件結構復雜、剛度低、系統復雜[5]，所以教學難以配備硬件實驗條件及軟件實驗系統[6]。目前專業教學存在飛機結構與裝配課程設計內容不夠充實的問題。

（三）建設虛擬仿真實驗系統的意義

根據飛行器制造工程專業培養方案和飛機裝配技術的特點，以飛機機翼為目標建設虛擬仿真試驗系統，可以為飛機結構與裝配課程設計提供實驗平臺，彌補當前實驗軟硬件不足的問題。提高動手能力的同時，使學生快速掌握現代飛機的先進裝配技術和裝配技能，了解最新的裝配技術，讓學生走上崗位后能盡快適應航空制造企業的要求。

二、研究思路

按照體系化設想，以飛機零部件為主線，以飛機機翼為目標，根據知識結構，建立機翼結構認知→蒙皮成形→機翼數字化裝配→蒙皮自動鉆鉚飛機機翼裝配實驗體系。該體系涵蓋了“飛機裝配工藝學”“飛機構造學”“飛機鈑金成型工藝”等專業核心課程，梳理出“機翼結構認知”“蒙皮成形工藝”“機翼數字化裝配實驗”三個典型的探究性實驗模塊，從而使學生系統地掌握主流先進裝配技術原理、工藝設計方法、實驗分析方法。

整個實驗過程體現了任務分配個性化、實驗過程開放性、知識體系多元化等特點。其中知識體系多元化在重視基礎知識考查的基礎上設置能力提升問題，考查知識點具有體系性且涵蓋范圍廣。實驗過程開放性在試驗過程中，試驗隨著不同的過程操作而模擬得到不同的結果，不再設置標準答案，體現了創新意識的培養。任務分配個性化使該實驗項目以學生為中心，任務發布做到“一人一題”。實驗以培養實踐能力為導向，以期提高學生在該飛機裝配領域的培養質量，使學生快速掌握現代飛行器的裝配技術和裝配技能，讓學生走上崗位后能盡快適應航空制造企業的要求。

三、實驗流程設計

實驗流程如圖1所示。使用學號登錄系統并閱讀實驗原理與操作指南后進入機翼結構認知實驗模塊，學習各零部件功用后對學習情況進行考查，考查完畢后進入蒙皮成形工藝實驗模塊。根據系統要求與提示分別確定坯料材質及尺寸、成形設備、工藝參數等，最后出現有限元模擬結果并進入機翼數字化裝配實驗模塊。首先在零件庫內選取符合任務要求的零部件組合，在工裝庫中選擇骨架裝配型架并進行骨架裝配，骨架裝配完成后選擇蒙皮裝配型架并對蒙皮進行自動鉆鉚，至此完成全部實驗任務，提交結果后完成實驗。

四、實驗內容

（一）機翼結構認知實驗

目標機翼選擇為在結構上具有普遍性的單梁式機翼，零件組成包括翼梁、縱墻、桁條、翼肋、蒙皮，此外還包括襟翼和副翼兩個部件。通過機翼零部件爆炸圖對各零部件所在位置進行展示并對其名稱、受力、功能進行說明。本實驗的目的是讓學生對單梁式機翼內部的零部件功能及位置進行了解，并了解機翼內部載荷的傳遞路線。

（二）蒙皮成形工藝

系統給定目標蒙皮的尺寸、服役條件后，首先對坯料材質、尺寸進行選擇，然后根據工藝方法選擇加工設備，通過題目給出的已知材料屬性選擇合理的加工溫度、下壓速率等工藝參數。使用有限元模擬軟件對加工過程進行模擬并通過模擬的加載力曲線選擇加工設備噸位等級。如圖2所示，最后通過有限元模擬的應變圖對不同工藝參數下應變的大小及均勻性進行考量，據此評定所選工藝參數的優劣。

（三）機翼數字化裝配實驗

1.零部件組合選擇及裝配。實驗零件庫中包括數種不同類型的翼梁、翼肋、桁條以及其他零件的組合，可以根據題目中不同受載情況并運用機翼零部件認知實驗中的知識選擇合適的組合。零部件組合選擇完成后在型架庫中選擇對應的機翼骨架裝配型架，并進行零件的基準選擇、定位和裝配。

本實驗的目的是讓學生進一步了解各零部件的功用，學會梁式機翼骨架的裝配順序以及裝配過程中的基準選擇、定位方法，通過實驗了解內定位的特點。

2.柔性化骨架裝配型架。裝配型架是保證飛機裝配質量的關鍵，通常飛機裝配型架制造加工工作量占整機工裝的50%左右，且約占整機工作量40%以上的飛機裝配工作是依靠裝配型架來完成的[6]。基于低成本、通用性、高效率的考慮，實驗運用了柔性化的裝配型架。如圖3，裝配型架由一個整體的裝配平臺和上面若干個分散的由螺栓進行連接的立柱組成，可以隨時改變立柱的位置。零件定位方式采用內定位，骨架各零部件以工藝孔為定位基準，通過定位銷固定在型架上的特定點，相較于傳統的外卡板定位骨架方法具有成本低、精度高、效率高等優點[8]。

3.蒙皮裝配型架及蒙皮自動鉆鉚。蒙皮裝配型架依然采用柔性化設計，通過骨架裝配型架進行簡單調整就可以變為蒙皮裝配型架。蒙皮定位方式采用外卡板進行定位，外卡板通過連接接頭和螺栓固定在立柱卡槽上，所有立柱的卡槽統一，均可以實現互換性。定位完成后自動鉆鉚機通過預先編訂程序進行鉚接。鉚接定位裝配過程如圖4。通過實驗可以掌握蒙皮裝配的基本步驟及使用外卡板進行定位的方法，初步了解自動鉆鉚機的運作方式。

五、總結

針對高校現有飛行器制造工程專業的不足，文章中提出了包括“機翼結構認知”“蒙皮成形工藝”“機翼數字化裝配”三個實驗模塊的機翼裝配虛擬仿真試驗系統，涵蓋了“飛機裝配工藝學”“飛機構造學”“飛機鈑金成型工藝”“成型工藝及模具設計”等專業核心課程知識，彌補了專業當前實驗條件的不足。通過本實驗可以提高學生的動手能力，快速掌握現代飛機的先進裝配技術和裝配技能，讓學生走上崗位后能盡快適應航空制造企業的需求。

參考文獻

[1]畢利文，唐曉東，楊紅宇.飛機數字化裝配工藝仿真技術[J].航空制造技術，2008（20）：48-50.

[2]潘洋宇，王拴虎，龔光榮.計算機輔助裝配工藝設計關鍵技術研究[J].機械，2003（2）：52-55.

[3]許國康.大型飛機自動化裝配技術[J].航空學報，2008（3）：734-740.

[4]閆光榮，程偉，寧濤.高校飛行器制造工程專業的綜合實驗課程教學研究[J].圖學學報，2012，33（4）：147-150.

[5]李靜洪，唐高虎，田剛，等.基于DELMIA的短艙結構虛擬裝配過程仿真[J].機電一體化，2013，19（11）：52-55.

[6]劉長青，李迎光，郝小忠.飛行器制造工程專業航空特色教學案例設計[J].高教學刊，2016（20）：60-61+64.

[7]曹增強.國外大型飛機裝配型架設計的新方法[J].航空制造技術，2006（2）：60-61.

[8]邵宗科，殷東平，杜雄堯.無人機機翼裝配型架設計[J].電子機械工程，2015，31（2）：22-25.

Abstract：? In order to make students master the assembly technology and assembly skills of modern aircraft manufacturing quickly and solve the problems of special objects， scarce resources， lack of environment and long period of aircraft assembly experiment， this experiment teaching project has been developed by using 3D modeling， animation， human-computer interaction and other technologies. We have integrated modern aircraft digital assembly technology into the experiment teaching project and established the whole process experiment scheme of wing structure cognition→cognitive assessment→skin heat forming process→forming quality evaluation→wing digital assembly→skin automatic drilling and riveting. We have also set up the ability enhancement modules on the basis of attaching importance to the basic knowledge examination， emphasizing the innovation consciousness cultivation， so that students can improve the ability of assembly process planning and comprehensive innovation ability in immersive cognition， interactive learning， experiential operation， and exploration improvement.

Key words： aircraft manufacturing engineering; wing assembly; virtual simulation experiment