摘 要 “飛機制造工藝學”是飛行器制造工程專業(yè)的一門重要專業(yè)課，針對傳統(tǒng)實驗教學內容僅編寫某飛機部件的閥芯、閥體的機械加工工藝的不足，以及實物實驗教學的限制，借助功能強大的數(shù)字化教學資源開發(fā)工具，突出“飛機制造工藝學”教學重點，研究飛機機身段結構制造裝配工藝虛擬仿真實驗，將鈑金成型工藝、飛機機身段結構裝配工藝的虛擬仿真過程與飛機制造裝配的基本原理、基礎理論緊密結合，通過虛擬仿真平臺，讓學生更加扎實地掌握“飛機制造工藝學”的相關理論知識，提升學生的工程實踐能力和綜合應用知識的能力。

關鍵詞 制造裝配工藝；虛擬仿真實驗；鈑金成型；飛機機身段

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.33.039

Research on Experimental Teaching Reform of \"Aircraft Manufacturing

Technology\" Based on Virtual Simulation

LIU Liping1， YU Hong1， WU Tao2

（1. School of Aeronautical Engineering， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300;

2. School of Transportation Science and Engineering， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300）

Abstract \"Aircraft Manufacturing Technology\" is an important professional course in the field of aircraft manufacturing engineering. In response to the shortcomings of traditional experimental teaching content that only focuses on the mechanical processing technology of the valve core and valve body of a certain aircraft component，as well as the limitations of physical experimental teaching， a powerful digital teaching resource development tool is used to highlight the teaching focus of \"Aircraft Manufacturing Technology\". Virtual simulation experiments are conducted to study the manufacturing and assembly process of aircraft fuselage structure. The virtual simulation process of sheet metal forming process and aircraft fuselage structure assembly process is closely integrated with the basic principles and theories of aircraft manufacturing and assembly. Through the virtual simulation platform， students can more solidly grasp the relevant theoretical knowledge of \"Aircraft Manufacturing Technology\"， enhance their engineering practice ability and comprehensive application knowledge ability.

Keywords manufacturing and assembly process; virtual simulation experiment; sheet metal forming; fuselage section

“飛機制造工藝學”是中國民航大學（以下簡稱“我?！保C務類專業(yè)的核心專業(yè)課，具有很強的工程應用背景，也是一門綜合性很強的專業(yè)課，教學內容包括飛機零件鈑金成型、飛機制造裝配工藝理論與技術、數(shù)字化制造等知識，涉及“機械制圖”“互換性與測量技術”“空氣動力學”“飛機結構強度”“飛機結構損傷與維修”等多門課程。從事機務維修和飛行器制造工作的畢業(yè)生都需直接應用“飛機制造工藝學”中飛機制造裝配的基本原理和基礎理論，學生的知識掌握扎實與否，關乎所維修和制造飛機的飛行安全。世界民航運輸史上多起空難事故都是由于機務人員沒有遵循制造裝配的基本原理和基礎理論，按照手冊和工卡等相關要求進行維修，例如，1990年6月10日，英國航空5390號班機的駕駛室擋風玻璃飛脫事故，就是因為機務人員沒有遵循強度互換要求而使用了尺寸小一號的螺絲釘。因此，專業(yè)課教師應加強“飛機制造工藝學”這門課程的教學改革，從全方位多角度夯實學生的理論基礎。

“飛機制造工藝學”這門課程的理論知識繁多而分散，內容枯燥乏味，僅依靠教材和參考書講述課本中的理論知識，學生學習興趣和學習熱情不高，上課時教師需要反復強調書中重點，學生才能接受、消化。開展“飛機制造工藝學”實驗教學改革旨在通過實驗教學環(huán)節(jié)將枯燥乏味的理論知識工程化、系統(tǒng)化，理論與實踐相結合，激發(fā)學生的學習興趣和學習積極性，提高學生綜合應用理論知識的能力，為民航系統(tǒng)各航司單位和航空制造企業(yè)輸送技術過硬、素質優(yōu)良的從業(yè)人員，從而保障民航系統(tǒng)各航司單位運輸飛機的飛行安全。

1" “飛機制造工藝學”虛擬仿真實驗需求性分析

“飛機制造工藝學”傳統(tǒng)的實驗教學環(huán)節(jié)，以編寫某飛機部件的閥芯、閥體的機械加工工藝為課程實驗內容，不能很好地突出“飛機制造工藝學”這門課程講述的重點內容，不能將課本中的知識點融會貫通，學生不容易系統(tǒng)地掌握書中的理論知識。

飛機制造的主要環(huán)節(jié)是飛機薄壁件的制造裝配[1-2]，尤其是鈑金件或非金屬薄壁件的制造裝配，也是“飛機制造工藝學”這門課程講述的重點。因此，開展飛機薄壁件的制造裝配實驗教學，可以更好地讓學生理論結合實踐，扎實掌握“飛機制造工藝學”這門課程的重點理論知識。但以飛機薄壁件的實物制造裝配進行實驗教學，其制造裝配占地面積大、成本高，不能很好地開展實驗教學。為了擺脫實物實驗教學的種種條件限制，迫切需要借助虛擬仿真方法來完成飛機薄壁件制造裝配實驗教學環(huán)節(jié)的具體實施。

隨著互聯(lián)網、人工智能、大數(shù)據、虛擬現(xiàn)實等一系列新技術和新模式的高速發(fā)展，數(shù)字化教育教學資源的建設開發(fā)成為數(shù)字化時代高等教育教學發(fā)展的必然趨勢[3-5]。SolidWorks是一款專業(yè)的三維設計軟件，可以輕松進行3D" CAD設計、機械設計、鈑金設計、裝配仿真、模擬設計、PDM數(shù)據管理、CAM加工等，廣泛應用于航空和機械產品建模、裝配實驗仿真和加工實驗仿真等[6]。Cortona3D是一款功能強大的三維可視化仿真工具，支持民用航空產品ATA100規(guī)范，并且支持最新的S1000D國際規(guī)范，是一套成熟實用的完全數(shù)字化三維動畫仿真軟件，越來越多地應用于航空和機械產品的裝配、拆卸、測量、檢修等仿真實驗[7]。

本文緊跟數(shù)字化教育教學資源建設的時代浪潮，擬基于Solidworks、Cortona3D軟件對飛機機身蒙皮成型和飛機機身段裝配的工藝過程進行虛擬仿真實驗研究，并基于此搭建“飛機機身段結構制造裝配工藝”虛擬仿真實驗平臺，為“飛機制造工藝學”實驗教學的開展提供重要支撐。

2" “飛機制造工藝學”虛擬仿真實驗建設內容

“飛機機身段結構制造裝配工藝”虛擬仿真實驗針對“飛機制造工藝學”課程大綱的實驗要求，參考國產某大型民航客機機身段零部件的制造和裝配工藝，虛擬仿真機身段蒙皮成型工藝及成型的尺寸傳遞過程，虛擬仿真機身段裝配工藝、裝配基準、定位基準、測量基準等，開展相應的虛擬仿真實驗教學內容建設。

2.1" 飛機機身蒙皮成型的虛擬仿真

首先，使用Solidworks軟件建立雙曲度機身蒙皮的理論模線、結構模線、切面檢測樣板、檢驗模、數(shù)控蒙皮拉形機，用PPT辦公軟件畫出雙曲度機身蒙皮成型的尺寸傳遞路線；然后使用Cortona3D模塊中的Rapid" Learning模塊模擬仿真雙曲度機身蒙皮拉形成型，配以文字步驟說明，生動形象地向操作者演示雙曲度機身蒙皮拉形成型工藝過程和注意事項。

飛機機身蒙皮成型的實驗教學內容，一方面讓學生掌握雙曲度機身蒙皮拉形工藝，同時進一步了解拉形、脹形、局部成型、壓延、彎曲等常用鈑金成型工藝；另一方面聯(lián)系“模線樣板技術”“典型的尺寸傳遞體系”等章節(jié)內容，深入理解并掌握模線樣板工作原理及飛機制造裝配過程中常用的樣板，掌握現(xiàn)代飛機制造過程中模擬量尺寸傳遞和數(shù)字量尺寸傳遞交互作用的綜合尺寸傳遞體系。

以雙曲度機身蒙皮成型工藝過程舉例，雙曲度機身蒙皮拉形模和雙曲度機身蒙皮的檢驗、雙曲度機身蒙皮的拉形成型工藝過程都是基于模線樣板工作原理的模擬量尺寸傳遞；檢驗模、拉形模的制造過程則是通過數(shù)字量尺寸傳遞。通過飛機機身蒙皮成型的虛擬仿真試驗教學，讓學生深入理解在利用現(xiàn)代化數(shù)字量尺寸傳遞優(yōu)點的同時，也要充分發(fā)揮傳統(tǒng)模擬量尺寸傳遞的優(yōu)勢，在蒙皮成型乃至飛機裝配過程中，交互使用數(shù)字量尺寸傳遞和模擬量尺寸傳遞。

通過雙曲度機身蒙皮拉形成型工藝過程的虛擬仿真，加深對常用鈑金成型工藝的理解，并將飛機薄壁件制造的基本原理、基礎理論應用于雙曲度機身蒙皮拉形成型工藝過程，理論與實踐相結合，提高學生應用知識解決工程實際問題的綜合能力。

2.2" 飛機機身段裝配的虛擬仿真

根據飛機機身段的結構特點和機身段的裝配工藝特點，將飛機機身段裝配的虛擬仿真內容劃分為若干個部分，分別進行三維數(shù)字建模，機身段裝配方案設計，機身段裝配工藝設計，機身段裝配虛擬仿真。

首先，使用Solidworks軟件建立飛機機身段蒙皮、桁條、隔框、角片、地板梁、地板、立柱、鉚釘、螺栓等三維數(shù)字模型，并組裝成機身壁板、機身上半部、客艙地板裝配、機身下半部、機身總裝配、各裝配型架的三維數(shù)字模型。

其次，根據飛機機身段的組成及結構特征，將飛機的機身段劃分為機身上下兩個部段及客艙地板，而機身上下部各分別由三塊機身壁板組成。根據飛機機身段組成部分，劃分七個裝配內容，機身上半部三塊壁板獨立裝配、機身上半部三壁板組裝、機身下半部三壁板獨立裝配、機身下半部三壁板組裝、客艙地板裝配、機身下半部三壁板與客艙地板組裝、裝有客艙地板的機身下半部與機身上半部總裝配。對裝配工藝流程進行選擇，確定好合適的裝配方案，從而減短裝配周期，提高裝配效率。

再次，根據國產某大型民航客機機身段裝配的現(xiàn)行工藝技術水平，分析飛機機身段的結構，確定好裝配型架結構，選擇合適的裝配基準、定位基準、測量基準以及尺寸協(xié)調方法，從而降低飛機機身段的裝配誤差，提高產品裝配質量。

以機身壁板裝配為例，虛擬仿真國產某大型民航客機機身段裝配基準、定位基準、測量基準以及尺寸協(xié)調方法。壁板各組件裝配加工時，依據各組件之間的位置關系事先鉆制出DA孔，如在長桁上均勻制出一定數(shù)量的DA孔；角片分別在弧面或者平面制DA孔；在隔框翻邊處制出一定數(shù)量的DA孔。壁板各組件DA孔的加工，有的是通過數(shù)控加工直接制孔，有的是通過標準樣件移形到壁板組件上。通過這些組件DA孔再在裝配型架上，給機身蒙皮制孔，從而達到尺寸協(xié)調的目的。

機身壁板的裝配以蒙皮內形為裝配基準，即以蒙皮卡板外形為裝配基準。壁板以左右端耳片孔和工裝上的蒙皮卡板外形為定位基準，將蒙皮與蒙皮卡板外形緊密貼合，通過左右兩端的耳片孔與裝配型架上的插銷進行定位，從而將蒙皮牢牢地固定在裝配型架上。

壁板裝配型架及卡板上安裝的激光定位靶標器為機身壁板裝配的測量基準。三維數(shù)字激光跟蹤儀通過裝配型架上的激光定位靶標器，建立裝配型架的空間坐標系；再通過卡板上的激光定位靶標器結合裝配型架空間坐標系，確定卡板在空間坐標系中的位置關系，進一步調節(jié)卡板相對于裝配型架的位置關系，使得蒙皮卡板外形能精確表示蒙皮的內形。通過壁板裝配型架及卡板上安裝的激光定位靶標器進行測量和校準，就能精確控制機身蒙皮外形的形位精度。

由于通過壁板裝配型架及卡板上的激光定位靶標器建立的壁板空間坐標系又是飛機機身段坐標系，這樣機身段上、下部各壁板的坐標系是同一坐標系，即基準統(tǒng)一原則。如此，即可保證機身段上、下部各壁板在機身段坐標系里相互協(xié)調，從而進一步保證壁板在飛機機身段中準確的形位精度。

最后，將Solidworks軟件建立的三維數(shù)字模型導入Cortona3D軟件，仿真模擬國產某大型民航客機機身段的裝配工藝過程及裝配基準、定位基準、測量基準等裝配理論知識。

通過Cortona3D軟件的交互式界面建成“飛機機身段裝配工藝”虛擬仿真實驗內容，結合前述建設的“飛機雙曲度機身蒙皮拉形成型工藝”虛擬仿真實驗內容，搭建“飛機機身段結構制造裝配工藝”虛擬仿真實驗平臺。

3" 預期效果

“飛機機身段結構制造裝配工藝”虛擬仿真實驗平臺建設，必將提高我?！帮w機制造工藝學”這門課程的教學效果。①激發(fā)學生的學習熱情。通過交互式虛擬仿真實驗模式，借助動畫視頻和文字描述，清晰展示飛機機身段結構制造裝配工藝過程，使理論知識形象化、具體化，增強學生的學習趣味性，激發(fā)學生的學習積極性和主動性。②提高教學水平。通過虛擬仿真實驗，教師將各章節(jié)飛機制造裝配的基本原理、基礎理論融會貫通，使學生扎實掌握過去難以理解的理論知識，提升學生綜合應用理論知識的能力，提高教學質量。③極大降低實驗教學成本。飛機機身段結構制造裝配工藝實物實驗教學占用場地面積大，且成本高昂，高校幾乎無法開展相關實驗教學，而通過虛擬仿真平臺進行實驗教學，學生只需通過電腦甚至手機即可完成相關實驗內容。

基金項目：2022年度中國民航大學虛擬仿真實驗教學建設項目“飛機機身段結構制造裝配工藝與分析虛擬仿真實驗”（XF2022001）。

參考文獻

[1] 范玉青.現(xiàn)代飛機制造技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

[2] 趙熹，李雨軒，關世璽，等.飛機機翼數(shù)字化裝配虛擬仿真實驗課程設計[J].科教導刊，2023（6）：111-113.

[3] 韓巖，陳柔霖，王飛.吉林省高校教育數(shù)字化轉型模式與路徑探析[J].長春師范大學學報，2023，42（11）：129-133.

[4] 姚彬蓉.數(shù)字化轉型時代數(shù)字教材的價值意蘊、現(xiàn)實挑戰(zhàn)與優(yōu)化路徑[J].教學科學論壇，2023（12）：3-7.

[5] 沈火明，龔暉，李翔宇，等.工科基礎課程數(shù)字化教學資源建設的實踐與應用[J].教育教學論壇，2022（41）：113-116.

[6] 陳泓希，郭麗華，孫肖凡.基于SolidWorks的三角形砂輪底盤的建模與加工仿真分析[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2023，59（6）：32-34.

[7] 何超.基于Cortona3D的虛擬現(xiàn)實技術在民航維修中的應用[J].民航學報，2018，2（5）：109-112.