基于CATIA的模拟仿真在飞机维修实训教学中的应用研究

王 江，文 韬，李向新

(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)

现代飞机制造技术飞速发展的今天，各种数字化技术层出不穷，数字技术［1］在飞机维修行业也得以大量应用。现代飞机的设计，制造，验证均依托于计算机辅助数字技术。现在飞机制造以全机数字化模型为飞机制造生产唯一的外型样板和尺寸数据源。以飞机产品数字化模型为主线，贯穿整个飞机的产品生产管理周期。在航空制造中，产品生产周期管理的核心平台就是CATIA。基于现在的数字化维修技术，CATIA在教学模拟实训中的应用［2］飞速发展，随着CATIA在飞机维修中的应用也不断深入，今后在飞机维修专业的教学当中也会大量涉及。数字仿真不但能辅助理论教学，而且可以完善和丰富数字化实训中心的课程。

1 CATIA模拟实训系统简介

CATIA是由法国达索公司面向航空和航天工业开发的3D CAD/CAM/CAE集成系统软件。CATIA源于航空航天业，其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了 CATIA在CAD/CAE/CAM行业内的领先地位。

CATIA采用特征造型和参数化造型技术可以精确地建立、修改与分析3D几何模型;具有超强的曲面造型功能，其曲面造型功能包含了高级曲面设计和自由外形设计，用于三维的零件和约束的机械装配件，自动地对零件间的连接进行定义，便于对运动机构进行早期分析，方便了飞机部附件的装配，后续应用则可利用此模型进行进一步的设计维修流程与维修操作仿真。

2 传统飞机维修专业实训存在的问题

飞机维修专业实训是飞机维修专业理实一体化课程的一部分，是培养一个飞机维修高端技能型人才的必要环节。其主要课程目标是使学生熟悉飞机的构造与系统工作原理，了解飞机典型附件修理的方法与要求，熟悉各种工具和设备的使用与维护知识，掌握飞机维修的基本技能与方法，培养学生从事飞机修理，分析问题、解决问题的能力及学生工程实践的能力。飞机维修专业实训是认识飞机构造与系统，是装配技术理论课程的实践和应用。传统的教学采用理实一体化虽取得了较好的教学效果，但仍然存在一些问题:

(1)飞机维修工位和实训载体数量有限很难满足全体学生独立实训的要求。

(2)飞机结构复杂，附件门类多样，维修项目多，因此仅限于开展典型飞机结构及附件的实训项目，实训开展的范围受限，很难让学生对飞机系统有整体的概念。

(3)飞机维修实训中使用的清洗剂易燃，使用的飞机实训载体较大这都妨碍了实训的深入开展。

(4)实训时拆装过程均会对飞机载体造成损耗，限制了实训的操作次数。而飞机结构复杂，附件多样，有限的操作次数不能让学生牢记实训步骤，对操作的工作原理理解不深。

(5)传统的飞机维修一体化实训操作工卡多，操作过程记录量大，考核方式单一，缺乏一个科学、高效、规范的学生实训记录及评价体系。针对学生的个人评价依据整组的表现和印象，缺少客观的判断依据。

针对以上问题加入CATIA模拟实训环节后能得到很好的解决。

3 仿真模拟实训体系的搭建

3.1 CATIA模拟实训仿真系统的指导思想

通过CATIA完成飞机维修实训载体的零件实体造型。在CATIA虚拟仿真系统环境下完成飞机结构与系统的数字化模型，以飞机部附件零件数字模型完成飞机的分解装配仿真。将飞机的数字化模型，装配数模，装配记录文档以及过程演示视频等做成压缩实训包。通过实训数据包对飞机维修实训课程进行整合完成模块化，构建完整系列化的系统仿真实训方案和考核评价体系。

3.2 仿真实训包的应用

课程演示:仿真实训包不但用于飞机实训教学，还可扩展到《飞机空气动力学》、《飞机结构与系统》、《飞机装配与调试》和《直升机构造与系统》等理论课程的教学中，丰富这些课程的辅助教学手段，增加趣味性。能够很便利地演示飞行原理，展示飞机真实结构，不再受教学场地的限制。

实训运用:飞机维修实训教学中，教师先将实训的操作工卡，零件的数模，装配模型，分解装配过程视频放入实训包。学生根据实训包要求进行仿真实训操作，保存其仿真分解装配文件和过程视频，填写实训工卡，最后以数据包的形式提交实训操作结果。

图1 飞机虚拟数字化数据包

目前，航空维修专业的实训模式主要以理实一体化为主。分为理论讲授，操作演示，学生实训，教师点评等步骤。课堂教学过程借助多媒体演示，方式陈旧。而采用CATIA模型模拟实训系统［3］是充分吸收了上述实训模式的精华，从系统的角度出发提升实训的系统性。学生操作步骤，操作过程全程记录，整个模拟实训几乎再现了工厂维修现场和操作步骤。包括实训工卡的填写在内的模拟修理的真实维修环境，包含飞机修理的各个环节。让学生通过模拟了解企业维修的场景，达到迅速上岗的目的，进一步实现教学与产业对接。

平台的建立主要是实训载体的数字化，分为:实训载体外部尺寸测量以及分解之后各零件尺寸的测量(如图2)，实训零件参数化和系列化，零件分解，装配，生成爆炸视图，装配和分解过程逐帧记录。

图2 飞机附件CATIA仿真实训方案

3.3 某型飞机机翼结构模拟装配中的运用实例

(1)CATIA零件实体造型

打开CATIA v5软件进入造型设计模块如图3。

图3 零件设计菜单

图4 装配菜单

根据前期测量参数进入草图，约束好尺寸之后生成零件实体。为取得较好的效果，对实体填充材料渲染等操作后得到零件，如图5、6、7这里只列举了主要零件。按装配的顺序对零件进行编号保存。

图5 参数化翼肋

图6 参数化翼梁

图7 蒙皮

CATIA的造型是尺寸驱动的，便于系列化和参数化(如图8)。对于系列化零件比如螺栓，铆钉，根据尺寸制成Excel表格导入到CATIA参数当中就能生成系列化的零件，简单高效。针对飞机零件中的复杂曲面CATIA也提供了强大的曲面造型功能。

图8 参数化

(2)飞机附件零件的装配过程。

首先零件的装配必须要在CATIA的装配模块中完成(图4)，最后完成总装图(图9)。每个操作步骤，零件在装配过程中的顺序、路径都通过软件记录以视频样本的形式保存。CATIA装配需要按照位置约束来实现，平面与平面的配合按照约束关系，在装配完成之后形成文本参数以文档形式保存。

图9 装配约束

记录整个装配过程，采用分布记录方式。一般采用第三方软件屏幕录像专家或CATIA自带视频记录功能输出，后者占用软件资源影响操作，但记录详实，如图10所示。

图10 录制过程视频

分解之后形成爆炸视图，爆炸视图可根据个人习惯自行调整零件位置。最后输出装配过程视频文件，最常用的是avi格式。所有在分解和装配过程中录制的视频和产生的文件都是用来做为实训操作考核的依据。

4 CATIA在飞机实训教学中的意义

(1)实现简单，可移植性强。利用操作实训的机房安装CATIA V5软件实现硬件平台的搭建。在实训包方面可以选择独立造型创建也可由航空企业引进。中航工业制造过程中已有飞机整体数字化样机。CATIA的3D模型不但可以用于飞机维修实训理实教学活动中，也可用于飞机结构实验［4］实训的动态演示，实现从理论课堂到实践操作的无缝对接。操作过程的视频可用于对维修步骤操作的考核依据。

(2)通用扩展性强，更新速度快。实训载体都是软件模型，收集相关参数即可创建更新速度快。CATIA平台也是中航工业实现飞机全机数字化制造的平台。实现飞机维修实训教学的仿真数字化就能与飞机装配工装数字化制造［5］对接，更好的服务航空产业。

(3)仿真实训不能取代真实的实训操作，但它能使实践操作效率更高，减少对实训耗材的不必要的让费，节约实训成本。它的加入增强了实训的多样性和趣味，丰富了我们的想像空间。对于现在部分实训课程仍然缺乏真实实训载体和实训设施的前提下，仿真实训就变成了唯一的实现方式。

(4)飞机维修是航空工业的下游产业，只有实现飞机维修人才培养教学方式的软件数字化才能融入到飞机的整个产业链中，最终实现我们的航空强国梦。

［1］刘斌，蔡海鹏.数字化航空维修体系构想［J］.长沙航空职业技术学院学报，2012，(1).

［2］郝国森，陈领会，李瑞彩，等.3D模拟实训系统在物流实训教学中的应用［J］.中国市场，2007，(45).

［3］曹俊生.基于CATIA/CAA的飞机结构虚拟装配信息模型［D］.南京:南京航空航天大学，2005.

［4］巴塔西，法洋洋，于哲峰，等.基于CATIA的飞机结构试验加载杠杆系统参数化建模方法［J］.实验室研究与探索，2012，(2).

［5］张平.基于CATIA的装配工装数字化设计制造技术［J］.航空标准化与质量，2003，(6).