虛擬仿真在“航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)”實踐教學(xué)中的應(yīng)用

朱昭君 方鵬亞 李仁鳳 栗俊芬

［摘 要］ “航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)”是飛行器動力工程專業(yè)人才培養(yǎng)中的專業(yè)核心課程，針對教學(xué)過程中對于發(fā)動機(jī)各個結(jié)構(gòu)件的裝配和結(jié)構(gòu)設(shè)計分析缺少直觀認(rèn)識的問題，總結(jié)分析了該課程在教學(xué)實踐過程中存在的問題。提出建立先進(jìn)的虛擬仿真渦扇發(fā)動機(jī)裝配系統(tǒng)，虛擬仿真裝配系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)件的三維建模、發(fā)動機(jī)虛擬靜態(tài)環(huán)境建立和人機(jī)交互式設(shè)計與開發(fā)等內(nèi)容。在教學(xué)過程中采用虛擬仿真發(fā)動機(jī)裝配系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機(jī)裝配結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容的混合式教學(xué)，擴(kuò)展創(chuàng)新式教學(xué)方法，拓寬學(xué)生的學(xué)習(xí)領(lǐng)域，提高沉浸式實驗效果。

［關(guān)鍵詞］ 航空發(fā)動機(jī)；虛擬仿真；實踐教學(xué)探索；人機(jī)交互

［基金項目］ 2022年度河南省重點研發(fā)與推廣專項（科技攻關(guān)）項目“耐高溫碳基類復(fù)合材料復(fù)雜載荷下等效力學(xué)性能研究”（222102230048）；2022年度鄭州航院教育教學(xué)改革研究與實線項目“基于虛擬仿真實驗的‘航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)實踐教學(xué)平臺建設(shè)與研究”（zhjy22-177）；2022年度鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院研究生教育改革與發(fā)展研究項目“需求導(dǎo)向下航空宇航學(xué)科研究生培養(yǎng)模式改革研究與實踐”（2022YJSJG17）

［作者簡介］ 朱昭君（1981—），女，山西陽泉人，博士，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空發(fā)動機(jī)學(xué)院講師，主要從事飛行器設(shè)計及飛行力學(xué)研究；方鵬亞（1986—），男，河南鄭州人，博士，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空發(fā)動機(jī)學(xué)院副教授，主要從事可靠性與壽命預(yù)測研究；李仁鳳（1989—），女，山西晉中人，博士，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空發(fā)動機(jī)學(xué)院講師，主要從事計算流體力學(xué)研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）21-0128-04［收稿日期］ 2022-08-20

引言

2016年，我國全面啟動實施航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)重大專項，重點聚焦渦扇發(fā)動機(jī)和渦噴發(fā)動機(jī)領(lǐng)域。“航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)”是鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院飛行器動力工程專業(yè)本科階段的核心課程，涵蓋力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、機(jī)械設(shè)計、材料科學(xué)與工程等學(xué)科，是一門綜合性課程。“航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)”課程以航空渦噴發(fā)動機(jī)和航空渦扇發(fā)動機(jī)為研究主體，主要涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、部件裝配原則以及性能分析方法等內(nèi)容。課程的實踐教學(xué)是學(xué)生認(rèn)識并了解航空發(fā)動機(jī)各個重要核心結(jié)構(gòu)件、掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的重要環(huán)節(jié)，在實踐教學(xué)過程中學(xué)生可以從理論知識的學(xué)習(xí)深入到各個核心結(jié)構(gòu)件的直觀認(rèn)識，并提高動手實踐能力，發(fā)揮自主性和能動性。

在不斷推進(jìn)教育信息化質(zhì)量建設(shè)的過程中，為了較好地滿足航空發(fā)動機(jī)專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，我校針對“航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)過程中面臨的理論與實踐教學(xué)結(jié)合點比較弱、實踐教學(xué)效果不明顯、實驗成本高、發(fā)動機(jī)核心結(jié)構(gòu)件缺少仿真模型等問題，提出依托虛擬現(xiàn)實等數(shù)字化的先進(jìn)技術(shù)手段提升實踐教學(xué)效果的方式方法，設(shè)計出實用性強(qiáng)的虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容。因此，以“航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)”課程核心教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，圍繞典型渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件裝配的知識點，建設(shè)航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)裝配系統(tǒng)的虛擬仿真實驗教學(xué)資源。發(fā)動機(jī)核心結(jié)構(gòu)件的虛擬仿真裝配實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)可以完善線上和線下實驗教學(xué)方法，擴(kuò)展創(chuàng)新式教學(xué)方法，并且拓寬學(xué)習(xí)領(lǐng)域，增強(qiáng)學(xué)生的沉浸式實驗效果，推動航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)核心專業(yè)課的虛擬仿真實驗教學(xué)效果模式創(chuàng)新和教學(xué)模式的持續(xù)改革。

一、虛擬仿真實驗的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）又稱虛擬仿真，以計算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合三維建模、算法研究建立與真實世界高度近似的虛擬場景，實現(xiàn)用戶和虛擬場景對象的交互操作。虛擬仿真技術(shù)在多個領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，包括材料成型［1-3］、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計及加工［4-7］、醫(yī)學(xué)研究［8-10］等。日本將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于多類型的知識庫和游戲產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，逐漸成為全球游戲產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新中心。德國將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于汽車制造業(yè)領(lǐng)域，用于演示汽車發(fā)動機(jī)內(nèi)部流場變化和動力裝置的產(chǎn)品特性。

現(xiàn)今虛擬仿真技術(shù)越來越受到國內(nèi)科研院所和高校的重視，國內(nèi)實現(xiàn)了多種虛擬環(huán)境的建立和分布式虛擬場景系統(tǒng)的研發(fā)。北京航空航天大學(xué)是國內(nèi)最早開展虛擬技術(shù)研究的院校，該校開發(fā)了飛行員訓(xùn)練模擬系統(tǒng)。浙江大學(xué)的程捷等［11］完成的虛擬仿真系統(tǒng)可以解決真實實驗過程中高分子材料燃燒時污染毒性大的安全性問題，也可以實現(xiàn)創(chuàng)新性材料配方的驗證，設(shè)計的虛擬仿真實驗?zāi)K可以使學(xué)生都參與到實驗及交互式觀測中。湖北工業(yè)大學(xué)的黃濤等［12］探索虛擬仿真實驗教學(xué)體系在“材料力學(xué)”課程中的應(yīng)用，設(shè)計的材料力學(xué)實驗系統(tǒng)可以把基本的力學(xué)性能實驗通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)實現(xiàn)，學(xué)生在實驗過程中更容易掌握材料的動態(tài)應(yīng)力和應(yīng)變的變化過程。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)開發(fā)了雷達(dá)預(yù)警的虛擬仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，結(jié)合動畫和圖像技術(shù)等多種技術(shù)開發(fā)了雷達(dá)裝備虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，為平時訓(xùn)練和演練提供了很大的幫助。

二、航空發(fā)動機(jī)虛擬裝配實驗的應(yīng)用

虛擬仿真實驗在實踐教學(xué)過程中利用圖像、視頻和聲音可以充分調(diào)動學(xué)生的積極性，包含多種圖像處理系統(tǒng)以及動態(tài)模擬化的實驗教學(xué)內(nèi)容。虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)的重點是虛擬對象的建模和交互功能的設(shè)計。現(xiàn)今可視化視景常見的軟件有Unity 3D、Vega和Virtools等，三維模型的建模軟件平臺有CATIA、UG NX、3ds MAX等。CATIA軟件的優(yōu)勢在于強(qiáng)大的曲面設(shè)計及適用于結(jié)構(gòu)件的大型裝配，適用于航空航天設(shè)計領(lǐng)域。

航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)最重要的組成部分，發(fā)動機(jī)的裝配、點火實驗、部件檢測和維修等對環(huán)境都有較高的要求。鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院的振動與故障診斷實驗室、流體氣動實驗室和航空維修實驗室擁有多種航空發(fā)動機(jī)型號及發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件的教具，這些實驗設(shè)備可以觀摩學(xué)習(xí)課程的實驗教學(xué)，教具包括燃燒室殼體、尾噴管、微型渦扇發(fā)動機(jī)等，圖1為微型縮比發(fā)動機(jī)，圖2為燃燒室殼體教具。

雖然上述實驗室具有的實驗設(shè)備和教具可以實現(xiàn)教師的講授與學(xué)生的觀摩學(xué)習(xí)，但是這些設(shè)備多是模型樣機(jī)，無法實現(xiàn)整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計裝配和拆裝實踐教學(xué)。由于缺少渦軸和渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件的模型庫，在發(fā)動機(jī)裝配和拆裝的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生往往缺少深刻的認(rèn)識，這種學(xué)習(xí)方式已顯現(xiàn)出短板，因此航空發(fā)動機(jī)虛擬仿真裝配實驗系統(tǒng)的建設(shè)是一項亟待探索和研究的工作。

相比于其他領(lǐng)域的教學(xué)應(yīng)用實踐而言，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用實踐略有不足。由于航空發(fā)動機(jī)的虛擬仿真裝配實驗具有可以實現(xiàn)節(jié)能、提高安全性和不受實際場地限制的特點，因此可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)發(fā)動機(jī)的原理和總體性能時，把對內(nèi)部流場及相關(guān)參數(shù)的測試和分析，從表面認(rèn)識上升到全方位觀察以及沉浸式、交互式學(xué)習(xí)。同時，使學(xué)生在可視化的環(huán)境下交互式認(rèn)識發(fā)動機(jī)各個部件三維模型的虛擬裝配，掌握在壓氣機(jī)和渦輪內(nèi)各個部件中，機(jī)匣的裝配順序和轉(zhuǎn)子與靜子間裝配位置的動態(tài)干涉問題，理解發(fā)動機(jī)的工作原理。

（一）先進(jìn)渦扇發(fā)動機(jī)裝配系統(tǒng)的建立

航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的虛擬仿真裝配實驗系統(tǒng)在虛擬仿真及計算機(jī)圖像技術(shù)、軟件開發(fā)及建模軟件的基礎(chǔ)上，利用Unity 3D虛擬視景開發(fā)軟件設(shè)計發(fā)動機(jī)虛擬裝配環(huán)境，設(shè)計虛擬仿真裝配教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)件的裝配原則和發(fā)動機(jī)內(nèi)流場的流固耦合的研究方法，使實踐教學(xué)達(dá)到良好的效果。共設(shè)計兩個模塊，包括結(jié)構(gòu)件三維模型庫的建立以及發(fā)動機(jī)虛擬仿真裝配和認(rèn)知學(xué)習(xí)，具體內(nèi)容如圖3所示。

（二）結(jié)構(gòu)件的三維建模

航空發(fā)動機(jī)裝配系統(tǒng)屬于非工作狀態(tài)下的發(fā)動機(jī)模型，建立的發(fā)動機(jī)模型屬于靜態(tài)模型，因此，可以選擇有代表性的渦扇發(fā)動機(jī)為虛擬仿真實驗的研究對象。渦扇發(fā)動機(jī)由進(jìn)氣裝置、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，圖4為渦扇發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖。

基于CATIA軟件建立發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件的三維模型，以渦扇發(fā)動機(jī)葉片的三維建模為重點教學(xué)對象，葉片強(qiáng)度和剛度的性能是決定發(fā)動機(jī)能否達(dá)到使用要求最直接和最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。航空發(fā)動機(jī)葉片的數(shù)量多達(dá)上千片，葉片的三維模型的建立需要細(xì)化葉片的幾何尺寸參數(shù)。研究葉片的平面葉柵構(gòu)造參數(shù)，建立葉片的參數(shù)化建模方法，對于學(xué)生深入理解轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片的葉型設(shè)計以及葉型對流場的影響具有重要作用。

（三）發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)裝配和認(rèn)知

航空發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)的虛擬場景需要完成發(fā)動機(jī)部件三維模型的調(diào)用、結(jié)構(gòu)件的多視圖顯示和消隱操作、外圍設(shè)備的接入測試以及發(fā)動機(jī)裝配過程的人機(jī)交互。Unity 3D軟件可以實現(xiàn)視景的設(shè)計，在應(yīng)用程序中可以完成初始化、系統(tǒng)定義和配置的靜態(tài)描述，創(chuàng)建發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件虛擬場景的范圍和位置，整理加入裝配系統(tǒng)的整體發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)和單個結(jié)構(gòu)件模型數(shù)據(jù)。針對航空發(fā)動機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，可以在虛擬仿真裝配實驗系統(tǒng)中借助視頻、動畫等技術(shù)實現(xiàn)學(xué)生對壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和噴口等部件的直觀認(rèn)識。人機(jī)交互過程中可以使學(xué)生在結(jié)構(gòu)件的二維結(jié)構(gòu)圖與三維模型之間建立對應(yīng)性和關(guān)聯(lián)性，在虛擬實驗的基礎(chǔ)上掌握發(fā)動機(jī)的裝配原則。

結(jié)語

針對“航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)實踐存在的問題，通過對發(fā)動機(jī)虛擬裝配實驗進(jìn)行分析和探索，提出采用虛擬仿真系統(tǒng)演示法實現(xiàn)學(xué)生對結(jié)構(gòu)件的認(rèn)知，在設(shè)計的虛擬仿真裝配實驗系統(tǒng)中，建立進(jìn)氣口、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、尾噴管的三維模型數(shù)據(jù)庫，設(shè)計報告學(xué)習(xí)手冊，讓學(xué)生直觀了解發(fā)動機(jī)的工作過程。在教學(xué)實踐過程中，還可以通過建模方法布置任務(wù)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)建模方法，了解各部件的工作原理。

演示法和交互操作可以方便學(xué)生操作界面，包括對發(fā)動機(jī)整體結(jié)構(gòu)和每一個結(jié)構(gòu)件的自動裝配，以及基于接入設(shè)備的手動交互操作，使學(xué)生通過觀察虛擬仿真系統(tǒng)發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)展示與自動裝配，了解工作參數(shù)對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件的影響規(guī)律，加深學(xué)生對發(fā)動機(jī)喘振、失速等狀態(tài)的理解，進(jìn)一步提升學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

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The Application of Virtual Simulation in the Practical Teaching of Aero-engine Structure

ZHU Zhao-jun， FANG Peng-ya， LI Ren-feng， LI Jun-fen

（School of Aero Engine， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou， Henan 450046， China）

Abstract： Aero-engine Structure is a professional course in the aircraft power engineering. In view of the lack of intuitive understanding of the assembly and structural design analysis of various engine structural parts in the teaching process， the current problems faced in the teaching practice process are summarized and analyzed. An advanced virtual simulation turbofan engine assembly system was proposed. The virtual simulation assembly system includes three modeling of structural parts， the establishment of the virtual static environment of the engine， and the human-machine interactive design and development. In the later stage， the virtual simulation engine assembly system is used in the teaching process， which can realize the hybrid teaching mode of the teaching content of engine assembly structure， expand the innovative teaching method， broaden the students learning field and improve the effect of immersive experiment.

Key words： aero-engine; virtual simulation; practical teaching exploration; human-computer interaction