張 青, 趙洪利, 郭 慶, 王 炫

(中國民航大學(xué)，天津 300300)

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航空發(fā)動機虛擬裝配培訓(xùn)實驗平臺的構(gòu)建與實現(xiàn)

張 青, 趙洪利, 郭 慶, 王 炫

(中國民航大學(xué)，天津 300300)

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

航空發(fā)動機; 虛擬裝配; 虛擬實驗平臺; 實驗教學(xué)

0 引 言

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建航空發(fā)動機虛擬裝配培訓(xùn)實驗平臺，代替實物實踐教學(xué)，不但可滿足實踐教學(xué)需要，而且降低了教學(xué)成本。虛擬維修技術(shù)也是目前國內(nèi)外飛機、發(fā)動機廠商大力研究的重點，各大飛機、發(fā)動機制造商都在開發(fā)虛擬維修系統(tǒng)，并把它們用在制定飛機、發(fā)動機維修手冊等技術(shù)文檔中[1]。為了提高發(fā)動機理論和維護實踐教學(xué)效果，落實國家教委關(guān)于虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)的要求，推動我校飛行器動力工程專業(yè)的建設(shè)，自2009年就開始航空發(fā)動機虛擬維修教學(xué)實踐研究，為了擴展虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用，形成教、學(xué)、考一套完善的教學(xué)體系，需要開發(fā)一套結(jié)合發(fā)動機虛擬裝配教學(xué)的培訓(xùn)實驗系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可形成一整套航空發(fā)動機虛擬仿真維護教學(xué)系統(tǒng)，為實現(xiàn)航空發(fā)動機虛擬仿真教學(xué)在我校打下堅實的基礎(chǔ)[2]。開發(fā)的航空發(fā)動機虛擬裝配培訓(xùn)實驗系統(tǒng)具有可視化真實交互環(huán)境，按照發(fā)動機維護手冊的步驟逐步指引學(xué)生，在三維虛擬環(huán)境下進行維護操作，系統(tǒng)可對學(xué)習(xí)效果考核，學(xué)生通過上機考試，點選發(fā)動機3D部件，回答考核問題，完成虛擬維修培訓(xùn)課程學(xué)習(xí)后，考察學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果，分析學(xué)生所學(xué)內(nèi)容的掌握情況。因此，將虛擬仿真技術(shù)科學(xué)合理地應(yīng)用于教學(xué)對于推動實踐教學(xué)改革具有重要意義[3]。

1 實驗平臺整體設(shè)計框架

1.1 系統(tǒng)設(shè)計框架

為改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，以發(fā)動機可視化模型為載體，實現(xiàn)維護培訓(xùn)內(nèi)容形象化，此實驗平臺遵循把虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到航空維修培訓(xùn)各領(lǐng)域的思路，為了突出虛擬仿真特色，區(qū)別于傳統(tǒng)的實驗方式，系統(tǒng)設(shè)計的重點是虛擬維修環(huán)境和實驗培訓(xùn)內(nèi)容的結(jié)合，系統(tǒng)提供一個模擬的三維實物維護操作平臺,真實地模擬出學(xué)生進行裝配操作時能看到的真實場景,使學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的感覺,學(xué)生通過鼠標和鍵盤與操作系統(tǒng)進行交互,同時實驗平臺做出與實際情況相符的響應(yīng)并通過電腦顯示屏實時顯示[4]。航空發(fā)動機虛擬裝配培訓(xùn)實驗平臺包含三個功能模塊：①虛擬裝配學(xué)習(xí)模塊； ②虛擬裝配培訓(xùn)模塊；③虛擬裝配考核模塊。

實驗平臺整體設(shè)計框架如圖1所示，該實驗平臺按機型和ATA章節(jié)鏈接整理，根據(jù)實踐教學(xué)和機務(wù)維修工作特點設(shè)計虛擬教學(xué)系統(tǒng)人機界面，使用VRML技術(shù)進行虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研究，結(jié)合Java、HTML、JavaScript等編程技術(shù)，通過對JavaScript代碼編輯，使用B/S結(jié)構(gòu)記錄用戶數(shù)據(jù)，通過HTML網(wǎng)頁進行網(wǎng)上交流和學(xué)習(xí)，結(jié)合腳本語言JavaScript實現(xiàn)文本信息與圖像信息的聯(lián)系，實現(xiàn)復(fù)雜的交互功能，實現(xiàn)以數(shù)據(jù)庫(ACCESS)為基礎(chǔ)的在線虛擬考核系統(tǒng)[5]。這樣做可以充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的特點，便于實施交互性的操作。ACCESS數(shù)據(jù)庫作為學(xué)生成績的儲存[6]。

圖1 實驗平臺整體設(shè)計框架

1.2 虛擬裝配培訓(xùn)實驗平臺開發(fā)步驟

(1)開發(fā)發(fā)動機本體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)數(shù)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(jié)選擇、渲染到紋理等，添加材質(zhì)、貼圖后，調(diào)整裝配樹結(jié)構(gòu)，然后導(dǎo)入VRML場景進行修改和優(yōu)化[7]。運用3DS MAX建模軟件建立發(fā)動機大修車間系統(tǒng)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(huán)境的開發(fā)。利用Cortona3D虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)虛擬維修環(huán)境下的航空發(fā)動機裝配培訓(xùn)系統(tǒng)，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(shè)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(jù) B737 和 A320 的 AMM 飛機維修手冊中航線維護程序，發(fā)動機廠商提供的EM發(fā)動機維護手冊，結(jié)合航空維修企業(yè)的OMP，制作三維動畫直觀展示航線維護的操作過程及發(fā)動機各系統(tǒng)工作原理，開發(fā)發(fā)動機本體拆裝和各系統(tǒng)維護動作流程以及工作原理展示，將操作動畫和文本關(guān)聯(lián)起來，學(xué)生可觀察發(fā)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(zhuǎn)動，局部放大，閱讀相關(guān)聯(lián)的文檔等[9]。

(3)編寫培訓(xùn)內(nèi)容。基于對發(fā)動機結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、工作原理和維護流程的分析，制定學(xué)習(xí)及考核范圍和內(nèi)容，編寫考核題。考核內(nèi)容要結(jié)合虛擬仿真的維修流程，突出實際維護工作。利用Cortona3D軟件，結(jié)合開發(fā)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(yīng)[10]。

(4)虛擬裝配培訓(xùn)實驗平臺開發(fā)。把實驗平臺分為“演示”、“學(xué)習(xí)”、“考核”三種訓(xùn)練模式。建立基于Web的實驗平臺。選擇考核模塊后，仿真系統(tǒng)將自動進入考核模式的訓(xùn)練，系統(tǒng)將運行并對操作進行記錄，它要求操作者在特定的時間內(nèi)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(dāng)考生選擇了正確的選擇并點擊提交后，在右側(cè)的3D演示框中會播放正確拆裝動畫，幫助學(xué)員加深記憶，鞏固所學(xué)知識。考生完成所有題目后，系統(tǒng)會彈出網(wǎng)頁文本框要求培訓(xùn)學(xué)員輸入姓名、學(xué)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(shù)自動發(fā)送給實驗室主機，并將此次成績其記錄到數(shù)據(jù)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(fā)動機虛擬裝配培訓(xùn)實驗平臺

2.1 實驗內(nèi)容設(shè)計

(1)發(fā)動機本體結(jié)構(gòu)。包括結(jié)構(gòu)特點、轉(zhuǎn)子支承方案、轉(zhuǎn)子裝配流程等。

(2)滑油系統(tǒng)。包括系統(tǒng)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(tǒng)。包括系統(tǒng)組成部件、主要部件拆裝和系統(tǒng)維護等。

(4)氣流控制系統(tǒng)。包括可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)，放氣活門系統(tǒng)和渦輪間隙控制系統(tǒng)。

(5)發(fā)動機起動系統(tǒng)。包括日常勤務(wù)和主要部件拆裝。

(6)發(fā)動機點火系統(tǒng)。

(7)反推系統(tǒng)。工作原理、維護流程。

2.2 人機界面設(shè)計

開發(fā)的航空發(fā)動機虛擬裝配培訓(xùn)實驗平臺可用于發(fā)動機構(gòu)造課、發(fā)動機機型課和發(fā)動機裝配與修理課程的教學(xué)過程。使用者通過選擇機型進入不同發(fā)動機的培訓(xùn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，內(nèi)容按ATA編碼進行管理，通過選擇不同章節(jié)編碼進入相應(yīng)系統(tǒng)的培訓(xùn)界面。學(xué)生完成培訓(xùn)實驗內(nèi)容后提交，成績自動顯示[13]。

3 虛擬實驗應(yīng)用實例及效果

為改變傳統(tǒng)實驗課程現(xiàn)狀，提高教學(xué)效果，在課程組的推動下，在日常教學(xué)實踐活動中，嘗試對2011級飛行器動力工程專業(yè)卓越班和2010級飛行器制造工程專業(yè)普通班進行實驗課程培訓(xùn)試點。對學(xué)生學(xué)期成績采用下列計算方式：本學(xué)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(xué)生對所學(xué)章節(jié)的掌握情況，這種虛擬環(huán)境下進行培訓(xùn)學(xué)習(xí)，不但可檢查教學(xué)效果，更主要是使學(xué)生加深印象，釋疑課上不清楚內(nèi)容的過程[14]。

2011級卓越班“航空發(fā)動機裝配與修理”課程，本課程以我國民航常用典型發(fā)動機為重點，反映民航發(fā)動機裝配和維修技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生維修民航發(fā)動機的能力，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握航空發(fā)動機的航線維護與內(nèi)場修理的流程與方法，主要培訓(xùn)內(nèi)容為發(fā)動機關(guān)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(yǎng)學(xué)生閱讀發(fā)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(xué)生了解實物發(fā)動機的維修、裝配流程，在平時實驗教學(xué)中應(yīng)用了該系統(tǒng)。

在卓越班“航空發(fā)動機裝配與修理”課程虛擬實驗課程改革中，加大了學(xué)生對發(fā)動機拆裝步驟及發(fā)動機零部件識別的考查，充分體現(xiàn)了航空發(fā)動機裝配與修理課程實踐性強的特點，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，全面地考查了學(xué)生在“航空發(fā)動機裝配與修理”課程應(yīng)該要掌握的基本知識和維護發(fā)動機基本能力。教材有四章內(nèi)容，每部分學(xué)完后，進行一次上機學(xué)習(xí)培訓(xùn)。從學(xué)生滿意度調(diào)查中可以看出，學(xué)生很喜歡這種培訓(xùn)方式，它會促使那些只會考試而動手能力差的同學(xué)自覺地在學(xué)習(xí)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(xué)生掌握和理解了所學(xué)內(nèi)容[15]。

4 結(jié) 語

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

圖4 航空發(fā)動機裝配與修理實驗課程成績

(1)實驗方式的創(chuàng)新。該實驗平臺最大亮點是在虛擬維修環(huán)境下進行，培訓(xùn)內(nèi)容以電子樣機的形式展示，學(xué)生可在虛擬環(huán)境下能對電子樣機進行各種操作(放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等)，并模擬實際操作過程，使學(xué)生就像在實體發(fā)動機上考核一樣，同時考核系統(tǒng)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(xué)習(xí)過程，從而避免學(xué)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(nèi)容創(chuàng)新。實驗平臺有電子樣機和虛擬交互環(huán)境，以及維護流程的展示，培訓(xùn)學(xué)習(xí)內(nèi)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(xué)生的工程實踐能力。

(3)實驗技術(shù)創(chuàng)新。實驗綜合利用虛擬仿真、網(wǎng)頁設(shè)計和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，使得該系統(tǒng)即可在單臺計算機上運行，也可在聯(lián)網(wǎng)的多臺計算機上運行。學(xué)生提交實驗結(jié)果后即可知道自己的成績，教師通過后臺數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計學(xué)生成績。由于培訓(xùn)學(xué)習(xí)內(nèi)容是按機型和ATA章節(jié)進行分類，實施實驗的第一種方式是學(xué)生根據(jù)自己學(xué)習(xí)過程，選擇實驗內(nèi)容，即學(xué)生檢查自學(xué)成果；第二種方式是老師按實際教學(xué)進度統(tǒng)一實驗內(nèi)容。

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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(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革研究計劃項目(D02-0820);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費中國民航大學(xué)專項(3122015D011)；中國民航大學(xué)教育教學(xué)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(fā)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