飛機(jī)機(jī)翼數(shù)字化裝配虛擬仿真實驗課程設(shè)計

趙熹 李雨軒 關(guān)世璽 喻明讓

摘要 飛機(jī)裝配是飛機(jī)制造最重要的環(huán)節(jié)，一般占到生產(chǎn)周期的50-70%。然而該培養(yǎng)方向具有特殊性，一般高校難以匹配相應(yīng)的實驗條件，導(dǎo)致相關(guān)課程無法開展所需實驗，課程設(shè)計內(nèi)容不夠充實，不利于學(xué)生專業(yè)技能和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為此針對飛機(jī)裝配實驗的對象特殊、資源稀缺、環(huán)境匱乏等問題開發(fā)了飛機(jī)機(jī)翼裝配虛擬仿真實驗，學(xué)生可根據(jù)學(xué)到的知識設(shè)計新型零部件結(jié)構(gòu)，并且自主完成結(jié)構(gòu)設(shè)計、成形制造、裝配，具備較好的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度。實驗以培養(yǎng)實踐能力為導(dǎo)向，以期提高飛機(jī)裝配領(lǐng)域的人才培養(yǎng)質(zhì)量，使學(xué)生快速掌握現(xiàn)代飛行器的裝配技術(shù)和裝配技能。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真；數(shù)字化裝配；實踐能力；培養(yǎng)質(zhì)量

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.6.035

1飛機(jī)裝配虛擬仿真實驗建設(shè)的意義

1.1飛機(jī)先進(jìn)裝配技術(shù)的重要性及教學(xué)現(xiàn)狀

飛機(jī)制造屬于國民經(jīng)濟(jì)重點領(lǐng)域，符合科技創(chuàng)新戰(zhàn)略需求。飛機(jī)的裝配質(zhì)量要求高，這是因為飛機(jī)各部件的氣動外形、外廓尺寸、各部件之間的相互位置等，都是在裝配過程中獲得并確定的。飛機(jī)裝配是飛機(jī)制造過程中的主要環(huán)節(jié)，對飛機(jī)產(chǎn)品的性能、壽命和成本都有很大影響[1]。在飛機(jī)制造過程中，飛機(jī)裝配的工作量占比約為45%―60%。因此合理的裝配方案可以極大地降低飛機(jī)制造費用并提高生產(chǎn)率[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工裝配方式已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)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(chǎn)率提高100%―200%，大大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，已經(jīng)成為飛機(jī)制造行業(yè)的熱點[3]。隨著航空產(chǎn)品復(fù)雜性的提高和裝配方式數(shù)字化轉(zhuǎn)型，航空企業(yè)對于學(xué)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(jī)裝配虛擬仿真實驗是訓(xùn)練學(xué)生動手能力、了解先進(jìn)裝配工藝最有效的途徑。由于飛機(jī)所涉及的零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛度低、系統(tǒng)復(fù)雜[5]，所以教學(xué)難以配備硬件實驗條件及軟件實驗系統(tǒng)[6]。

傳統(tǒng)教學(xué)注重理論知識的講述，多數(shù)學(xué)生缺乏實際操作訓(xùn)練，且對于實際操作的知識嚴(yán)重匱乏，不能滿足企業(yè)以及國家對飛機(jī)制造專業(yè)人才的需求。對于飛機(jī)機(jī)翼裝配方面的教學(xué)，更是由于缺乏環(huán)境和資源、資金極其昂貴、周期長等問題而使該專業(yè)領(lǐng)域的教學(xué)處于嚴(yán)重落后階段。因此飛行器制造領(lǐng)域的教學(xué)亟待改革。

1.2飛機(jī)裝配虛擬仿真實驗的建設(shè)意義

根據(jù)飛行器制造工程專業(yè)培養(yǎng)方案和現(xiàn)代飛機(jī)裝配技術(shù)的智能化、數(shù)字化的特點，以飛機(jī)機(jī)翼裝配的教學(xué)為目標(biāo)建設(shè)虛擬仿真試驗系統(tǒng)，可以為飛機(jī)結(jié)構(gòu)與裝配課程提供實驗平臺，彌補當(dāng)前實驗軟、硬件資源不足等問題。在提高動手能力和創(chuàng)新能力的同時，讓學(xué)生快速掌握現(xiàn)代飛機(jī)的先進(jìn)裝配技術(shù)和裝配技能，滿足了國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的戰(zhàn)略需求，彌補了該專業(yè)虛擬模擬實驗方面的空白，對飛行器制造工程專業(yè)領(lǐng)域教學(xué)的改革創(chuàng)新具有重大戰(zhàn)略意義。

2飛機(jī)機(jī)翼數(shù)字化裝配虛擬仿真實驗介紹

2.1創(chuàng)新實驗思路

按照系統(tǒng)化設(shè)想，以機(jī)翼零部件為起點，以飛機(jī)機(jī)翼的整體裝配為目標(biāo)，按知識體系結(jié)構(gòu)，由機(jī)翼結(jié)構(gòu)認(rèn)知→蒙皮成形過程→蒙皮去應(yīng)力熱處理→機(jī)翼數(shù)字化裝配→鉆孔參數(shù)計算→蒙皮自動鉆鉚來構(gòu)成一個整體的機(jī)翼裝配實驗體系，通過交互式仿真手段，將飛機(jī)機(jī)翼的裝配及過程完整呈現(xiàn)。該體系涵蓋了“飛機(jī)鈑金成型工藝”“飛機(jī)構(gòu)造學(xué)”“飛機(jī)裝配工藝學(xué)”等專業(yè)課程，梳理出“機(jī)翼結(jié)構(gòu)認(rèn)知”“蒙皮成形工藝”“機(jī)翼數(shù)字化裝配實驗”三個典型的探究性實驗?zāi)K，涵蓋12大類別的知識點。三個模塊互為依托，分別闡述“包含哪些零部件”“零部件怎么制造”“零部件怎么裝配”三個基本問題，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握機(jī)翼基本結(jié)構(gòu)組成、主流先進(jìn)裝配技術(shù)原理、工藝設(shè)計方法、實驗分析方法，并以飛機(jī)機(jī)翼零部件作為主線貫穿整個過程。附帶工藝過程動態(tài)圖和對學(xué)生專業(yè)知識的拓展性考查，從而使學(xué)生系統(tǒng)地掌握主流先進(jìn)裝配技術(shù)原理、工藝設(shè)計方法、實驗分析方法。學(xué)生可通過交互式、探究式學(xué)習(xí)，掌握鈑金類產(chǎn)品零部件的加工工藝、制造過程及熟悉相關(guān)設(shè)備的安全操作，具體規(guī)劃如下：項目根據(jù)飛行器制造工程專業(yè)培養(yǎng)方案和飛機(jī)裝配技術(shù)的特點，按照體系化設(shè)想，以主機(jī)廠實際應(yīng)用需求為驅(qū)動，以飛機(jī)機(jī)翼零部件為主線，以實現(xiàn)飛機(jī)機(jī)翼裝配虛擬仿真為目標(biāo)，根據(jù)知識結(jié)構(gòu)，建立機(jī)翼結(jié)構(gòu)認(rèn)知→蒙皮成形→機(jī)翼數(shù)字化裝配→蒙皮自動鉆鉚實驗體系，該體系囊括了“飛機(jī)裝配工藝學(xué)”“飛機(jī)構(gòu)造學(xué)”“飛機(jī)鈑金成型工藝”“成型工藝及模具設(shè)計”等專業(yè)核心課程，并對學(xué)生進(jìn)行了工程識圖、安全教育、加工工藝、設(shè)備操作、裝配檢驗等方面的教育實踐。

此外，整個實驗過程體現(xiàn)了“任務(wù)分配個性化”“實驗過程開放性”“知識體系多元化”等特點。實驗以培養(yǎng)實踐能力為導(dǎo)向，以期提高飛機(jī)裝配領(lǐng)域的人才培養(yǎng)質(zhì)量，使學(xué)生快速掌握現(xiàn)代飛行器的裝配技術(shù)和裝配技能，讓學(xué)生走上崗位后能盡快適應(yīng)航空制造企業(yè)的要求[7]。

2.2創(chuàng)新實驗過程

該實驗?zāi)M分為三大模塊，從認(rèn)識機(jī)翼的結(jié)構(gòu)到機(jī)翼的制造再到機(jī)翼零件的裝配，是從理論知識的學(xué)習(xí)到零件工藝的學(xué)習(xí)再到模擬操作裝配出整個機(jī)翼的流程。中間也不乏零件的三維靜態(tài)圖、對工藝過程的動態(tài)展示、對飛機(jī)制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀以及對專業(yè)知識的拓展考查。根據(jù)工藝要求分別選擇坯料材質(zhì)及尺寸、成形方式、工藝參數(shù)等，展示應(yīng)力云圖并進(jìn)行去應(yīng)力退火操作，最后出現(xiàn)有限元模擬結(jié)果并進(jìn)入機(jī)翼數(shù)字化裝配實驗?zāi)K，實驗結(jié)果會根據(jù)操作過程進(jìn)行評分。

3虛擬仿真實驗的“兩性一度”

對于教學(xué)的改革與創(chuàng)新，重點在于改革后的教學(xué)是否能整合知識，培養(yǎng)學(xué)生的能力；是否包含創(chuàng)新點，教學(xué)形式是否新穎；是否注重學(xué)習(xí)過程并且是否對教學(xué)具有較高要求。也即應(yīng)該具備高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。

3.1虛擬仿真實驗的高階性

從總體上看，飛機(jī)機(jī)翼數(shù)字化裝配虛擬仿真實驗分為三個模塊，從機(jī)翼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)到最終操作裝配機(jī)翼，涵蓋了整個機(jī)翼制造及裝配過程，且實驗流程十分清晰。每個模塊既包含對零件的三維建模，工藝過程的三維動態(tài)流程圖又包含了對現(xiàn)代飛機(jī)相關(guān)專業(yè)實踐知識的考查，在實驗過程中學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了專業(yè)知識，并且在實驗中設(shè)置了多種任務(wù)以及多種不同的實驗材料和設(shè)備，具有較強的自主選擇性，由學(xué)生自主做出判斷和操作，而且系統(tǒng)可根據(jù)不同的操作生成不同的實驗結(jié)果。比如在蒙皮成形模擬過程中，學(xué)生可自主選擇不同的蒙皮坯料和加工方式，尤其是選擇不同的熱處理溫度和時長會產(chǎn)生不同的殘余應(yīng)力分布結(jié)果，使學(xué)生在實驗過程中深刻體會到不同的操作方式對實驗結(jié)果的影響，在實驗過程中實現(xiàn)知識、技能和專業(yè)素質(zhì)有機(jī)結(jié)合，在自主實驗的過程中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和獨立思考的能力，具有較強的高階性。

3.2實驗的創(chuàng)新性

首先在每個模塊實驗開始前都有若干思政題，比如我國現(xiàn)階段飛機(jī)研制所取得的成就等，這些問題比較前沿并且是當(dāng)今時代飛行器的熱點，具有時代性，不僅能向?qū)W生普及飛行器的基礎(chǔ)知識，還能通過有趣的問題激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。其次，實驗通過人機(jī)交互技術(shù)豐富了實驗內(nèi)容，學(xué)生自主動手進(jìn)行實驗和對問題進(jìn)行深入思考，這種創(chuàng)新性的方法極大地提升了學(xué)習(xí)效率。簡單的人機(jī)交互使學(xué)生快速認(rèn)識機(jī)翼的結(jié)構(gòu)組成，對工藝過程順序的選擇可以讓學(xué)生自主思考工藝流程及原理；較為復(fù)雜的人機(jī)交互，系統(tǒng)會根據(jù)選擇進(jìn)行反饋，顯示出不同的工藝過程動畫和不同的應(yīng)力云圖，而且在拉形后還設(shè)置了去應(yīng)力熱處理工序，并通過云圖應(yīng)力變化十分形象地展現(xiàn)了退火對消除內(nèi)應(yīng)力的作用，不僅使知識方便理解而且引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考，除此以外在實驗過程還包括對計算和識圖能力的提升。

最后，在機(jī)翼裝配模塊中實驗零件庫中包括數(shù)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(jù)題目中不同受載情況運用機(jī)翼零部件認(rèn)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(yīng)的機(jī)翼骨架裝配型架，并進(jìn)行零件的基準(zhǔn)選擇、定位和裝配，且激光定位，移動，夾緊工架等步驟均由學(xué)生自主完成。在實驗進(jìn)行過程中學(xué)生能夠真實地體驗數(shù)字化機(jī)翼裝配的整個過程，實驗中運用了激光定位器、柔性型架、自動鉆鉚機(jī)等實驗儀器，能夠讓學(xué)生更加深刻認(rèn)識和理解現(xiàn)代飛機(jī)裝配的技術(shù)?？傮w來說，該虛擬實驗利用了三維動畫技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)等創(chuàng)新性的技術(shù)向?qū)W生描繪了真實實驗中的各項工藝過程，不僅比傳統(tǒng)教學(xué)方式的效率更高，而且能夠帶給學(xué)生認(rèn)知和專業(yè)能力的提升，以極其新穎的創(chuàng)新方式深化飛行器制造工程專業(yè)的教學(xué)改革，使教學(xué)形式體現(xiàn)先進(jìn)性和互動性，使教學(xué)結(jié)果具有探究性和個性化，創(chuàng)新性非常強。

3.3實驗的挑戰(zhàn)度

由于實驗需要體現(xiàn)出機(jī)翼數(shù)字化裝配的具體過程，需要盡可能地去近似模擬真實實驗的情景和過程，包含對機(jī)翼結(jié)構(gòu)的三維建模，對蒙皮應(yīng)力的有限元分析，對拉形和熱處理的動畫建模，需要充分熟練運用三維建模軟件和有限元軟件，特別是對機(jī)翼數(shù)字化裝配模塊的建模，更是需要對機(jī)翼先進(jìn)數(shù)字化裝配過程的充分了解。這些不僅需要開發(fā)者具有扎實的基礎(chǔ)飛行器制造知識、強大的實踐操作能力和豐富的經(jīng)驗，而且對于每一模塊最后的拓展題來說，老師和學(xué)生必須具備扎實的專業(yè)知識才能理解這些拓展題背后的基本原理。此外，如何對該模擬實驗進(jìn)一步優(yōu)化，豐富其中的內(nèi)容，優(yōu)化使用者的體驗或者引入更新型的教學(xué)方式，這些仍需進(jìn)一步探索，并且需投入更多的人力財力，這些對開發(fā)者和使用者都提出了較高的要求，足以體現(xiàn)該實驗具有較高的挑戰(zhàn)度。

4總結(jié)

習(xí)近平總書記指出：“教育是人類傳承文明和知識、培養(yǎng)年輕一代、創(chuàng)造美好生活的根本途徑”[8]。我校針對飛行器制造工程專業(yè)的教學(xué)弊端提出的具有較強創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的教學(xué)改革方式——通過三維建模和人機(jī)交互來仿真模擬機(jī)翼數(shù)字化裝配實驗，取得了優(yōu)秀的教學(xué)效果，深化了教學(xué)改革，彌補了飛行器制造領(lǐng)域的教學(xué)資源匱乏的問題，對飛行器制造專業(yè)的教學(xué)改革起到了拋磚引玉的作用，并引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，主動提升動手能力，使學(xué)生充分投入到模擬實驗中去。該虛擬仿真實驗是效果顯著且成功的有關(guān)飛行器制造工程專業(yè)的教學(xué)改革。

*通訊作者：趙熹

基金項目：2022年度山西省高度學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項目“‘飛機(jī)機(jī)翼數(shù)字化裝配虛擬仿真實驗國家一流課程建設(shè)“（J20220618）；2021年度教育部協(xié)同育人項目“‘成形工藝及模具線上、線下混合式教學(xué)課程建設(shè)”（202102039010）；2021年度國家一流專業(yè)建設(shè)背景下飛機(jī)裝配虛擬仿真實驗教學(xué)研究（202102326002）。

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