航空发动机虚拟装配培训实验平台的构建与实现

张 青, 赵洪利, 郭 庆, 王 炫

(中国民航大学，天津 300300)



航空发动机虚拟装配培训实验平台的构建与实现

张 青, 赵洪利, 郭 庆, 王 炫

(中国民航大学，天津 300300)

针对航空发动机机型和发动机装配与修理课程实验教学，探讨了仿真实验实践教学模式，构建了基于Cortona3D航空发动机虚拟装配培训实验平台，提出了实验平台的整体设计思路，提供了一种即时、动态、交互的认知形式，该虚拟装配培训实验平台可以让教学的表现形式丰富多彩且具有实用性和可操作性，经过几届学生的试用取得了良好的教学效果。

航空发动机; 虚拟装配; 虚拟实验平台; 实验教学

0 引 言

随着虚拟仿真技术的发展，构建航空发动机虚拟装配培训实验平台，代替实物实践教学，不但可满足实践教学需要，而且降低了教学成本。虚拟维修技术也是目前国内外飞机、发动机厂商大力研究的重点，各大飞机、发动机制造商都在开发虚拟维修系统，并把它们用在制定飞机、发动机维修手册等技术文档中[1]。为了提高发动机理论和维护实践教学效果，落实国家教委关于虚拟仿真实验教学建设的要求，推动我校飞行器动力工程专业的建设，自2009年就开始航空发动机虚拟维修教学实践研究，为了扩展虚拟培训系统的应用，形成教、学、考一套完善的教学体系，需要开发一套结合发动机虚拟装配教学的培训实验系统，通过该系统可形成一整套航空发动机虚拟仿真维护教学系统，为实现航空发动机虚拟仿真教学在我校打下坚实的基础[2]。开发的航空发动机虚拟装配培训实验系统具有可视化真实交互环境，按照发动机维护手册的步骤逐步指引学生，在三维虚拟环境下进行维护操作，系统可对学习效果考核，学生通过上机考试，点选发动机3D部件，回答考核问题，完成虚拟维修培训课程学习后，考察学生的学习结果，分析学生所学内容的掌握情况。因此，将虚拟仿真技术科学合理地应用于教学对于推动实践教学改革具有重要意义[3]。

1 实验平台整体设计框架

1.1 系统设计框架

为改革传统教学模式，以发动机可视化模型为载体，实现维护培训内容形象化，此实验平台遵循把虚拟仿真技术应用到航空维修培训各领域的思路，为了突出虚拟仿真特色，区别于传统的实验方式，系统设计的重点是虚拟维修环境和实验培训内容的结合，系统提供一个模拟的三维实物维护操作平台,真实地模拟出学生进行装配操作时能看到的真实场景,使学生产生身临其境的感觉,学生通过鼠标和键盘与操作系统进行交互,同时实验平台做出与实际情况相符的响应并通过电脑显示屏实时显示[4]。航空发动机虚拟装配培训实验平台包含三个功能模块：①虚拟装配学习模块； ②虚拟装配培训模块；③虚拟装配考核模块。

实验平台整体设计框架如图1所示，该实验平台按机型和ATA章节链接整理，根据实践教学和机务维修工作特点设计虚拟教学系统人机界面，使用VRML技术进行虚拟培训系统开发以及数据管理系统研究，结合Java、HTML、JavaScript等编程技术，通过对JavaScript代码编辑，使用B/S结构记录用户数据，通过HTML网页进行网上交流和学习，结合脚本语言JavaScript实现文本信息与图像信息的联系，实现复杂的交互功能，实现以数据库(ACCESS)为基础的在线虚拟考核系统[5]。这样做可以充分发挥虚拟仿真技术的特点，便于实施交互性的操作。ACCESS数据库作为学生成绩的储存[6]。

图1 实验平台整体设计框架

1.2 虚拟装配培训实验平台开发步骤

(1)开发发动机本体结构和系统数字样机。利用CATIA和Solidworks进行建模，通过 VRMLPAD 进行模型轻量化处理，进行层次细节选择、渲染到纹理等，添加材质、贴图后，调整装配树结构，然后导入VRML场景进行修改和优化[7]。运用3DS MAX建模软件建立发动机大修车间系统场景和虚拟维修人员模型[8]，包括虚拟装配场景模型(如修理车间、修理工具如螺丝刀、扳手、刀具类、锤类、钳类、轨道、支架、吊钩等)以及其他实体模型(如厂房、地面等)。

(2)虚拟维修动作和虚拟环境的开发。利用Cortona3D虚拟现实软件开发虚拟维修环境下的航空发动机装配培训系统，Cortona3D的RapidLearning模块中有大量动作库(Action union)如：拆卸部件(Rmove the object)、移动部件(Move the object)、展示部件(Show the object)、隐藏部件(Hide the object)等。每个动作设有不同的子动作，分别为：闪烁-移动-消失(Flash-Transform-MakeInvisible)、闪烁-消失(Flash-MakeInvisible)、移动-消失(Transform-MakeInvisible)、仅消失(MakeInvisibleOnly)，其操作界面如图2、3所示。根据 B737 和 A320 的 AMM 飞机维修手册中航线维护程序，发动机厂商提供的EM发动机维护手册，结合航空维修企业的OMP，制作三维动画直观展示航线维护的操作过程及发动机各系统工作原理，开发发动机本体拆装和各系统维护动作流程以及工作原理展示，将操作动画和文本关联起来，学生可观察发动机每一步的拆装动画和工作原理动画，并与三维模型随时交互，如转动，局部放大，阅读相关联的文档等[9]。

(3)编写培训内容。基于对发动机结构、系统、工作原理和维护流程的分析，制定学习及考核范围和内容，编写考核题。考核内容要结合虚拟仿真的维修流程，突出实际维护工作。利用Cortona3D软件，结合开发的虚拟维修动作流程和工作原理，植入考题，使考题与虚拟仿真融合在一起，使试题与模拟仿真的维修动作、工作原理等对应[10]。

(4)虚拟装配培训实验平台开发。把实验平台分为“演示”、“学习”、“考核”三种训练模式。建立基于Web的实验平台。选择考核模块后，仿真系统将自动进入考核模式的训练，系统将运行并对操作进行记录，它要求操作者在特定的时间内完成操作。通过点击下拉菜单选择正确的答案，点击提交按钮，同时有点选三维部件，部件识别的问题，当考生选择了正确的选择并点击提交后，在右侧的3D演示框中会播放正确拆装动画，帮助学员加深记忆，巩固所学知识。考生完成所有题目后，系统会弹出网页文本框要求培训学员输入姓名、学号，而后向考核展示此次考核成绩，同时在虚拟实验室的子计算机上作答完毕后分数自动发送给实验室主机，并将此次成绩其记录到数据库中。

图2 RapidLearning动画仿真操作界面

图3 编辑仿真动画界面

2 航空发动机虚拟装配培训实验平台

2.1 实验内容设计

(1)发动机本体结构。包括结构特点、转子支承方案、转子装配流程等。

(2)滑油系统。包括系统组成部件、滑油流动过程、维护所涉及到的油量检查、部件更换等[12]。

(3)燃油系统。包括系统组成部件、主要部件拆装和系统维护等。

(4)气流控制系统。包括可调静子叶片系统，放气活门系统和涡轮间隙控制系统。

(5)发动机起动系统。包括日常勤务和主要部件拆装。

(6)发动机点火系统。

(7)反推系统。工作原理、维护流程。

2.2 人机界面设计

开发的航空发动机虚拟装配培训实验平台可用于发动机构造课、发动机机型课和发动机装配与修理课程的教学过程。使用者通过选择机型进入不同发动机的培训学习内容，内容按ATA编码进行管理，通过选择不同章节编码进入相应系统的培训界面。学生完成培训实验内容后提交，成绩自动显示[13]。

3 虚拟实验应用实例及效果

为改变传统实验课程现状，提高教学效果，在课程组的推动下，在日常教学实践活动中，尝试对2011级飞行器动力工程专业卓越班和2010级飞行器制造工程专业普通班进行实验课程培训试点。对学生学期成绩采用下列计算方式：本学期总评=期末考试(70%)+实验成绩(30%)。实验成绩系利用该虚拟实验平台，来检查学生对所学章节的掌握情况，这种虚拟环境下进行培训学习，不但可检查教学效果，更主要是使学生加深印象，释疑课上不清楚内容的过程[14]。

2011级卓越班“航空发动机装配与修理”课程，本课程以我国民航常用典型发动机为重点，反映民航发动机装配和维修技术，培养学生维修民航发动机的能力，通过本课程的学习，使学生掌握航空发动机的航线维护与内场修理的流程与方法，主要培训内容为发动机关键部件的装配流程、以及拆装流程所使用的工具和注意事项，并培养学生阅读发动机维护手册的能力。由于课堂讲解主要是以课本为主，为了让学生了解实物发动机的维修、装配流程，在平时实验教学中应用了该系统。

在卓越班“航空发动机装配与修理”课程虚拟实验课程改革中，加大了学生对发动机拆装步骤及发动机零部件识别的考查，充分体现了航空发动机装配与修理课程实践性强的特点，调动了学生学习的积极性，全面地考查了学生在“航空发动机装配与修理”课程应该要掌握的基本知识和维护发动机基本能力。教材有四章内容，每部分学完后，进行一次上机学习培训。从学生满意度调查中可以看出，学生很喜欢这种培训方式，它会促使那些只会考试而动手能力差的同学自觉地在学习过程中有目的地增强实践能力。实验考核改革后，30%的平时成绩分布参见图4所示，从中可见80%以上学生掌握和理解了所学内容[15]。

4 结 语

综上所述，该虚拟实验平台用于发动机构造、航空发动机机型、发动机装配与修理和学生网上自学课程，有效解决了教学实践中的诸多问题，得到广大教师和学生的认可，分析其原因可归结为以下几点[1]。

图4 航空发动机装配与修理实验课程成绩

(1)实验方式的创新。该实验平台最大亮点是在虚拟维修环境下进行，培训内容以电子样机的形式展示，学生可在虚拟环境下能对电子样机进行各种操作(放大、缩小、旋转等)，并模拟实际操作过程，使学生就像在实体发动机上考核一样，同时考核系统还有虚拟维护操作流程的展示，它不但是考核过程，同时也是加深理解和印象的学习过程，从而避免学生平时机型考试的死记硬背，进而使掌握的知识更牢固[16]。

(2)实验内容创新。实验平台有电子样机和虚拟交互环境，以及维护流程的展示，培训学习内容更贴近实际维护，如拆装流程、部件识别、维护操作安全，从而加强学生的工程实践能力。

(3)实验技术创新。实验综合利用虚拟仿真、网页设计和数据库等技术，使得该系统即可在单台计算机上运行，也可在联网的多台计算机上运行。学生提交实验结果后即可知道自己的成绩，教师通过后台数据库，统计学生成绩。由于培训学习内容是按机型和ATA章节进行分类，实施实验的第一种方式是学生根据自己学习过程，选择实验内容，即学生检查自学成果；第二种方式是老师按实际教学进度统一实验内容。

[1] 郭 庆,赵洪利,闫国华.虚拟实验在航空发动机教学中的应用与思考[J].中国民航大学学报,2014,32(4):60-64.

[2] 高 颖,钟 啸,许志国,等.基于VR技术的航空发动机虚拟教学实验系统设计[J].系统仿真学报, 2008, 20(11):2925-2930.

[3] 邵亚楠,高 颖,许志国,等.航空发动机教学实验系统的虚拟装配技术研究[J].计算机仿真,2008,25(9);284-288.

[4] 马岑睿,严 聪,张成涛,等.火箭发动机工作过程仿真实验教学改革与实践[J]. 实验室研究与探索, 2011, 30(9): 148-151.

[5] 郑 轶,宁汝新,刘检华,等.虚拟装配关键技术及其发展[J].系统仿真学报, 2006, 18(3): 649-654.

[6] 胡小强.虚拟现实技术[M].北京:北京邮电大学出版社，2005.

[7] 刘晓晖,万丽莉,季 红,等.基于中文语音交互的虚拟装配技术研究[J].系统仿真学报, 2014,26(9):2056-2061.

[8] 付晓靓.基于 Virtools与Flash 的实时交互虚拟NMR实验室的构建[D].大连:大连理工大学,2011.[9] Kaufman Stephen G, Wilson Randall H. The Archimedes 2 Mechanical Assembly Planning System [C]//Proc of IEEE International Conf on Robotics and Automation. USA: IEEE, 1996: 3361-3368.

[10] Michael Weyrich, Paul Drews. An Interactive Environment for Virtual Manufacturing: the Virtual Workbench [J]. The Computers in Industry, 1999, 38(1): 5-15.

[11] 李书明,林兆福.民用航空燃气涡轮发动机构造与系统[M].北京:兵器工业出版社,2005: 268- 280.

[12] 唐庆如,敖良忠,夏存江,等.CFM56- 7B发动机航线维护教程[M].成都:四川大学出版社,2003: 196- 203.

[13] 郭 庆,彭鸿博,闫国华.航空发动机虚拟展示课件设计与应用[J].实验技术与管理,2011,28(3);91-93.

[14] 郭美荣,侴爱辉,夏德宏,等.可视化教学法在实验教学中的应用[J].实验室研究与探索,2012, 31(11):128-130.

[15] 王 辉,魏志民,郭 庆,等.发动机启动点火装置仿真训练系统开发[J].实验室研究与探索, 2013, 32(1): 46-69.

[16] 郭 庆,王翔宇,王元争.基于U3D的航空发动机涡轮装配模拟器开发[J].实验技术与管理, 2012, 29(4): 111-114.

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

天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划项目(D02-0820);中央高校基本科研业务费中国民航大学专项(3122015D011)；中国民航大学教育教学改革研究课题(CAUC-ETRN-2013-13)

张 青(1986-)，女，天津人，硕士，讲师，研究方向：计算机仿真和航空发动机噪声与排放。

E-mail：zhangqing.guagua@163.com

V 241.7;TP 391.9

A

1006-7167(2016)05-0097-04