趙熹 李雨軒 關世璽 喻明讓

摘要 飛機裝配是飛機制造最重要的環(huán)節(jié)，一般占到生產周期的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的實驗條件，導致相關課程無法開展所需實驗，課程設計內容不夠充實，不利于學生專業(yè)技能和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為此針對飛機裝配實驗的對象特殊、資源稀缺、環(huán)境匱乏等問題開發(fā)了飛機機翼裝配虛擬仿真實驗，學生可根據學到的知識設計新型零部件結構，并且自主完成結構設計、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)實踐能力為導向，以期提高飛機裝配領域的人才培養(yǎng)質量，使學生快速掌握現代飛行器的裝配技術和裝配技能。

關鍵詞 虛擬仿真；數字化裝配；實踐能力；培養(yǎng)質量

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.6.035

1飛機裝配虛擬仿真實驗建設的意義

1.1飛機先進裝配技術的重要性及教學現狀

飛機制造屬于國民經濟重點領域，符合科技創(chuàng)新戰(zhàn)略需求。飛機的裝配質量要求高，這是因為飛機各部件的氣動外形、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。飛機裝配是飛機制造過程中的主要環(huán)節(jié)，對飛機產品的性能、壽命和成本都有很大影響[1]。在飛機制造過程中，飛機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制造費用并提高生產率[2]。隨著科學技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工裝配方式已經轉變?yōu)閿底只?、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%，大大提高生產效率，降低生產成本，已經成為飛機制造行業(yè)的熱點[3]。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(yè)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、了解先進裝配工藝最有效的途徑。由于飛機所涉及的零件結構復雜、剛度低、系統(tǒng)復雜[5]，所以教學難以配備硬件實驗條件及軟件實驗系統(tǒng)[6]。

傳統(tǒng)教學注重理論知識的講述，多數學生缺乏實際操作訓練，且對于實際操作的知識嚴重匱乏，不能滿足企業(yè)以及國家對飛機制造專業(yè)人才的需求。對于飛機機翼裝配方面的教學，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)領域的教學處于嚴重落后階段。因此飛行器制造領域的教學亟待改革。

1.2飛機裝配虛擬仿真實驗的建設意義

根據飛行器制造工程專業(yè)培養(yǎng)方案和現代飛機裝配技術的智能化、數字化的特點，以飛機機翼裝配的教學為目標建設虛擬仿真試驗系統(tǒng)，可以為飛機結構與裝配課程提供實驗平臺，彌補當前實驗軟、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，讓學生快速掌握現代飛機的先進裝配技術和裝配技能，滿足了國家創(chuàng)新驅動發(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)領域教學的改革創(chuàng)新具有重大戰(zhàn)略意義。

2飛機機翼數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)化設想，以機翼零部件為起點，以飛機機翼的整體裝配為目標，按知識體系結構，由機翼結構認知→蒙皮成形過程→蒙皮去應力熱處理→機翼數字化裝配→鉆孔參數計算→蒙皮自動鉆鉚來構成一個整體的機翼裝配實驗體系，通過交互式仿真手段，將飛機機翼的裝配及過程完整呈現。該體系涵蓋了“飛機鈑金成型工藝”“飛機構造學”“飛機裝配工藝學”等專業(yè)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，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，使學生系統(tǒng)地掌握機翼基本結構組成、主流先進裝配技術原理、工藝設計方法、實驗分析方法，并以飛機機翼零部件作為主線貫穿整個過程。附帶工藝過程動態(tài)圖和對學生專業(yè)知識的拓展性考查，從而使學生系統(tǒng)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。學生可通過交互式、探究式學習，掌握鈑金類產品零部件的加工工藝、制造過程及熟悉相關設備的安全操作，具體規(guī)劃如下：項目根據飛行器制造工程專業(yè)培養(yǎng)方案和飛機裝配技術的特點，按照體系化設想，以主機廠實際應用需求為驅動，以飛機機翼零部件為主線，以實現飛機機翼裝配虛擬仿真為目標，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→蒙皮自動鉆鉚實驗體系，該體系囊括了“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(yè)核心課程，并對學生進行了工程識圖、安全教育、加工工藝、設備操作、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。實驗以培養(yǎng)實踐能力為導向，以期提高飛機裝配領域的人才培養(yǎng)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(yè)的要求[7]。

2.2創(chuàng)新實驗過程

該實驗模擬分為三大模塊，從認識機翼的結構到機翼的制造再到機翼零件的裝配，是從理論知識的學習到零件工藝的學習再到模擬操作裝配出整個機翼的流程。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、對飛機制造業(yè)發(fā)展現狀以及對專業(yè)知識的拓展考查。根據工藝要求分別選擇坯料材質及尺寸、成形方式、工藝參數等，展示應力云圖并進行去應力退火操作，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，實驗結果會根據操作過程進行評分。

3虛擬仿真實驗的“兩性一度”

對于教學的改革與創(chuàng)新，重點在于改革后的教學是否能整合知識，培養(yǎng)學生的能力；是否包含創(chuàng)新點，教學形式是否新穎；是否注重學習過程并且是否對教學具有較高要求。也即應該具備高階性、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，飛機機翼數字化裝配虛擬仿真實驗分為三個模塊，從機翼結構基礎知識的學習到最終操作裝配機翼，涵蓋了整個機翼制造及裝配過程，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代飛機相關專業(yè)實踐知識的考查，在實驗過程中學生不僅學習了專業(yè)知識，并且在實驗中設置了多種任務以及多種不同的實驗材料和設備，具有較強的自主選擇性，由學生自主做出判斷和操作，而且系統(tǒng)可根據不同的操作生成不同的實驗結果。比如在蒙皮成形模擬過程中，學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生不同的殘余應力分布結果，使學生在實驗過程中深刻體會到不同的操作方式對實驗結果的影響，在實驗過程中實現知識、技能和專業(yè)素質有機結合，在自主實驗的過程中培養(yǎng)學生解決復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，比如我國現階段飛機研制所取得的成就等，這些問題比較前沿并且是當今時代飛行器的熱點，具有時代性，不僅能向學生普及飛行器的基礎知識，還能通過有趣的問題激發(fā)學生的學習興趣。其次，實驗通過人機交互技術豐富了實驗內容，學生自主動手進行實驗和對問題進行深入思考，這種創(chuàng)新性的方法極大地提升了學習效率。簡單的人機交互使學生快速認識機翼的結構組成，對工藝過程順序的選擇可以讓學生自主思考工藝流程及原理；較為復雜的人機交互，系統(tǒng)會根據選擇進行反饋，顯示出不同的工藝過程動畫和不同的應力云圖，而且在拉形后還設置了去應力熱處理工序，并通過云圖應力變化十分形象地展現了退火對消除內應力的作用，不僅使知識方便理解而且引導學生進行深入思考，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，在機翼裝配模塊中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，且激光定位，移動，夾緊工架等步驟均由學生自主完成。在實驗進行過程中學生能夠真實地體驗數字化機翼裝配的整個過程，實驗中運用了激光定位器、柔性型架、自動鉆鉚機等實驗儀器，能夠讓學生更加深刻認識和理解現代飛機裝配的技術。總體來說，該虛擬實驗利用了三維動畫技術和人機交互技術等創(chuàng)新性的技術向學生描繪了真實實驗中的各項工藝過程，不僅比傳統(tǒng)教學方式的效率更高，而且能夠帶給學生認知和專業(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)的教學改革，使教學形式體現先進性和互動性，使教學結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

由于實驗需要體現出機翼數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，包含對機翼結構的三維建模，對蒙皮應力的有限元分析，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，特別是對機翼數字化裝配模塊的建模，更是需要對機翼先進數字化裝配過程的充分了解。這些不僅需要開發(fā)者具有扎實的基礎飛行器制造知識、強大的實踐操作能力和豐富的經驗，而且對于每一模塊最后的拓展題來說，老師和學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一步優(yōu)化，豐富其中的內容，優(yōu)化使用者的體驗或者引入更新型的教學方式，這些仍需進一步探索，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，足以體現該實驗具有較高的挑戰(zhàn)度。

4總結

習近平總書記指出：“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)的教學弊端提出的具有較強創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的教學改革方式——通過三維建模和人機交互來仿真模擬機翼數字化裝配實驗，取得了優(yōu)秀的教學效果，深化了教學改革，彌補了飛行器制造領域的教學資源匱乏的問題，對飛行器制造專業(yè)的教學改革起到了拋磚引玉的作用，并引導學生獨立思考，主動提升動手能力，使學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飛行器制造工程專業(yè)的教學改革。

*通訊作者：趙熹

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

參考文獻

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