飞机附件三维数字资源库建设的实践探索

王志刚

(吉林化工学院 航空工程学院，吉林 吉林 132102)

飞机是代表一个国家科学水平和技术实力的重要标志性产品，随着我国科技的进步和经济的发展，航空业得到了前所未有的高速发展.据国际航空运输协会预测：到2020年，我国仅民航业人才缺口接近50万，特别是机务维修人才近几年来深受用人单位欢迎.另外，随着我国低空领域的逐步开放，国家鼓励各省的地级市都建立支线机场，为航空教育事业发展带来了难得的机遇.

技能的培养和提高离不开实践，特别是维修复杂而精密的飞机产品，学生只有进行反复的实际操作练习才能技术过硬、操作精准.而航空维修专业教学中存在的难题导致了不少院校望而却步.主要难题一是飞机产品价格昂贵，学校买不起大量的飞机部附件用于实训教学；二是飞机部附件结构复杂，拆装繁琐，组织实训困难重重；三是航空维修企业稀少，安排学生到航空企业实习困难.加之航修企业出于对飞机产品的质量和飞行安全的考虑，不愿意接收学生实习，即使勉强接收，也只是让学生参观实习，基本上不允许学生在飞机上实操训练.为达到提高学生动手能力的培养目标，通过虚拟装配进行仿真练习是一条可行之路.

虚拟装配[1](Virtual Assembly)技术近年来受到了学术界和工业界的广泛关注，国外对虚拟装配技术的研究起步于20世纪90年代中期，发展势头迅猛.国内中国科学院软件研究所、北京航空航天大学对虚拟装配技术的研发起步于20世纪90年代末期，发展的速度较快，取得了很多科研成果，但和国外同类机构还有一定的差距[2].虚拟装配技术现已经广泛应用于机械制造、数控技术、机电一体化等通用专业的教育、教学和培训中，与各自专业相配套的资源库也开发的较为成熟和完善.但航空维修专业面对的机型种类繁多，飞机部附件结构复杂，技术资料严格保密，资源库建设工程量巨大，成本高昂，所以目前国内很少有厂家开发航空维修专业教学使用的飞机部附件资源库[3].吉林化工学院航空工程学院根据学生的实践能力的要求，基于学校现有的实训条件，对飞机部附件三维数字资源库的建设进行了探索和研究.

1 飞机三维数字资源库建设中关键问题的解决

1.1 三维模型库的总体规划和管理

一架飞机上所包含的部附件多达数万个，如果三维数字模型库不建立统一的编码规则，以后在使用时将极不方便，也不利于后续开发三维素质模型管理数据库.因此在进行三维模型库创建之前首先要对模型库中所涉及到的零件进行统一的编码.经过对比和研究发现，按飞机组成系统进行划分和管理比较清晰(见图1).

图1 数字资源库编码

按照这种分类编号方式简洁明了，方便后续人员辨识和使用.例如液压助力泵传动轴的编号为：YY-ZB-34-CDZ-001.

1.2 三维数字模型库的创建

1.2.1 深入研究飞机部附件功用

飞机附件的形状有一个普遍的特点，就是小而复杂，这也是航空产品的特色.有很多具体的结构细节仅凭附件表面观察和教材上图纸的研究很难准确的确定，必须要认真的研究该附件的功能，在深入了解其功能需求的基础上，再结合图纸、实物等资源进行结构分析，进而在脑海中形成清晰的立体结构图.

1.2.2 选择合适的三维建模软件

对现在比较流行的几款三维建模软件(如：Inventor、UG[4]、Pro/E、CATIA等)逐一进行测试、对比，最终选择了Solid Works[5]作为此项目三维建模软件.

SolidWorks为达索系统(Dassault Systemes S.A)下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品.著名的CATIA就出自该公司之手，目前达索的CAD[6]产品市场占有率居世界前列.Solidworks软件功能强大，组件繁多.它具有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案.对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks来搞设计了.这些特点对于那些飞机维修专业技能比较强，但三维建模软件操作能力比较弱的教师来讲是最适合不过的了.

1.2.3 充分开发软件功能，简化建模强度

飞机部附件中非标准件较多，外形受飞机总体结构和空间限制，基本上都不是特别规则.如果按照常规测绘的方法进行三维模型草图的绘制，有很多时候感觉无从下手.经过反复的研究，发现将资料中现有的图形扫描成图片，通过SolidWorks软件导入成底图，调整成合适的比例，然后依据底图上的图形进行绘制，这样既可以迅速准确的绘制出部件内部结构，同时又可以保证各零件之间准确的装配关系(见图2).

图2 草图图片建模

1.2.4 复杂部件的装配

飞机部附件之间配合精度要求较高，配合关系特别复杂，装配工作极端繁重.SolidWorks本身自带的装配功能非常强大，可以根据不同的配合需求，方便快捷的选择零件，既可以精确地实现同轴、共线等普通的配合，还可以实现螺旋、凸轮等复杂的配合关系.所以飞机部附件的装配也利用SolidWorks最终完成[7].由于某些飞机部件所包含的零件数目较多，考虑到模拟拆装的需求，复杂组件可以先按工艺要求装配成小的装配体，然后再将这些小装配体组合成部件装配体，最终形成总体的三维数字模型(见图3).

图3 三维数字模型

2 结 论

利用先进三维建模技术，自主开发和建设飞机附件三维数字资源库，不仅可以解决航空维修类专业教学资源短缺，购买价格昂贵等问题，还可以使教师在开发和建设过程中加深对飞机部件构造的研究和理解，提高教师的业务能力，也便于教师在教学过程中知识的传授.飞机附件数字三维资源库广泛应用到飞机构造、飞机发动机维修、飞机附件维修等多门课程教学过程中，直观立体的结构，动画式的爆炸效果展示等特点收到了良好的教学效果.

在数字资源库建设过程中发现，目前主流的三维建模软件功能日趋完善，但均存在一个共性的问题，即建立的模型比较大，对设备配置要求较高.飞机部附件因其结构复杂，零配件数量众多，故虚拟建模后产生文件更大，日常配置的计算机运行起来相当吃力.所以如何能在保证零件精度的前提下，最大限度的轻量化[8]资源库模型以适应大多数硬件水平，尤其是能保障在网络环境下使用是后续亟待解决的关键问题.

[1] 郑秩,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.

[2] 武殿梁,杨润党,马登哲,等.虚拟装配系统及其关键技术[J].上海交通大学学报,2004,38(9):1539-1543.

[3] 贺芳,叶洪涛,赵昌辉.虚拟装配技术及其在航空发动机行业的应用[J].CAD/CAM与制造业信息化,2009(9):25-26.

[4] 户凤荣,户坤.基于UG8.0与PowerMILL的曲面建模及数控加工[J].吉林化工学院学报,2016(5):43-45.

[5] 褚金钱,徐方.基于Solidworks与Matlab的码垛机器人动力学仿真[J].组合机床与自动化加工技术,2013(9):29-31.

[6] 甘树坤,吕雪飞,康春雨.基于CAD/CAE软件的LPG储罐优化分析与设计[J].吉林化工学院学报,2017(1):40-43.

[7] 毛丽凤,夏汉均.基于SolidWorks机用虎钳的虚拟装配与运动仿真[J].电子世界,2017(10):150.

[8] 卢婷婷,左洪福,左锐,等.可交互操作的民机轻量化数模创建方法[J].飞机设计,2017,37(2):77-80.