虚拟现实技术在航空发动机装配教学中的研究与应用

刘震磊 刘博浩 吕勤云 李月月 李闯 张瑞祥

1.沈阳航空航天大学

2.空军航空维修技术学院

3.哈尔滨工业大学

随着产学研深度融合发展，航空发动机产业对工程人才培养提出了新的需求。在航空发动机制造过程中，装配是统筹控制产品质量的关键环节[1]，装配教学实验课程在航空院校教学体系中具有重要的地位。[2-3]2022年，工业和信息化部印发《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》，明确提出“开发一批基于教学大纲的虚拟现实数字课程，支持建设一批虚拟仿真实验实训重点项目”[4-5]，将虚拟现实技术应用于课程教学得到了国家政策的高度支持。

传统的教学模式以实地培训学习为主，存在样机实物稀缺、结构复杂、场地协调困难等问题。[6]与传统的实验课程相比，虚拟仿真实验能够实现开放共享、全程参与，成为传统实验教学的补充与拓展。[7]各高校在工业制造、力学仿真、建筑科学、航空航天等领域已经开发了一系列虚拟仿真教学平台与课程，有效解决了真实实验教学技术复杂、成本过高等问题。[8-11]

本文重点聚焦虚拟现实技术在航空发动机虚拟装配教学中的应用，瞄准航空发动机产业人才培养需求，搭建高逼真沉浸式的仿真场景，实施项目式研究教学方法，提升实验教学效率，让学生更好地掌握航空发动机装配工艺流程，培养与行业接轨人才。

●虚拟仿真平台整体设计

1.课程理论知识重构

航空发动机装配实验是航空发动机结构类课程教学的重要实践环节，是飞行器动力工程、航空发动机维修等相关专业的必修课程。[12]航空发动机结构复杂，装配要求高，在装配实践教学中，具有样机少、概念多、术语多、工程性强等特点[13]，从而导致理论知识和实践应用结合不足、课程教学效果不佳、难以推广等问题。[14]在实验教学设计中，为了加强与发动机原理、发动机构造、飞机与发动机装配与修理等课程相关的理论教学，采用讲授法和演示法对航空发动机基础知识进行教学，采用演示法和自主学习法完成发动机装配训练。通过对知识点的重新拆解和梳理，将理论知识进行虚拟呈现，使课堂理论教学与实验操作有效结合。

2.平台使用需求分析

围绕改善航空发动机装配教学质量的目标，结合实践教学现状，航空发动机虚拟装配教学平台应具有的功能如下：

发动机知识教学通过图片、视频、文字等信息与三维模型的交互展示，建立学生对发动机推力产生过程、整机工作原理、产品主要结构的认知。

装配过程仿真对发动机的结构进行精简，选取发动机实现功能的主要零件，方便学生在系统的指引下进行发动机虚拟装配操作训练，实现按照正确的顺序进行拆装的功能。

教学效果检验设计不同的考核方式，如虚拟拆装考核、在线测试、实验报告等，以单独执行或相结合执行的方式，检验学生的知识掌握情况。

多平台发布实现教学终端的多样化。平台开发应考虑学生的实际操作环境，开发Web版和VR版，发布Android手机版，支持学生通过不同设备进行学习。

功能拓展性应保证随着平台教学使用的不断深入和相关专业课程建设的加速发展，平台会持续进行功能添加和产品迭代，如加入故障模拟、虚拟维修、性能仿真等。平台使用需求如图1所示。

3.平台整体架构设计

虚拟仿真平台的整体架构分为用户层、发布层、应用层、服务层和数据层。平台整体架构设计如图2所示。

图2 平台整体架构

用户层。航空院校相关专业学生和教师是平台的首要用户群体，执行教学任务；管理员负责通过后台管理实验进程、处理实验报告、解决技术问题等。同时，平台的用户群体可以扩大为面向机械等关联专业学生及行业入职人员。

发布层。平台实行多平台发布，包括Web端、V R 端，还可以通过安装配置JDK（Java Development Kit）和Android SDK（Software Development K i t ）发布Android端，实现学生的可移动式学习。

应用层。平台依据使用功能划分为不同的模块，主要实现航空发动机知识学习、装配训练、考核评价三大功能，面向学生群体开展航空发动机虚拟装配实验教学应用。

服务层。包括Unity 3D的技术开发服务和平台的管理服务。平台通过软件的开发，实现各零件展示和结构装配的鼠标动作触发功能以及视角的变化控制；在平台的使用管理方面，可以实现对实验的全过程管理以及课后的实验考核管理。

数据层。满足数据的存储、管理、调用功能。平台开发及使用过程中产生的数据主要有用户信息、成绩数据、发动机信息等业务信息和模型场景数据库、驱动脚本等模型、场景数据。

●虚拟仿真平台搭建

1.平台开发流程设计

虚拟仿真平台的开发包括建模与优化、虚拟仿真、平台发布三部分。平台基于涡喷-7发动机的装配手册设计发动机虚拟装配流程，确保装配作业的正确性；使用Solid works和3Ds MAX对航空发动机进行建模和渲染优化处理以呈现出更好的视觉效果；使用Unity 3D和Visual Studio进行虚拟仿真开发，完成场景搭建、界面设计、交互操作、脚本驱动等功能，最后发布到平台，使用终端设备进行教学应用。整体开发流程如图3所示。

图3 平台整体开发流程

2.虚拟仿真平台开发

三维建模及模型优化是平台建设的第一步。平台对某微型涡喷式航空发动机进行建模优化，采用Solid works对所有零件进行精细化建模，将模型转为STL格式，导入3Ds MAX进行优化。为了增强视觉效果，对模型表面沿法线方向进行更改，使其视觉效果为外表面不透明。在Unity 3D中又创建新的材质球更改模型表面，使表面呈现镜面反光的效果，增强美观程度。发动机建模与优化的效果如图4所示。

图4 发动机建模与优化效果

虚拟仿真开发包括场景搭建、界面交互两部分。平台通过Unity 3D模拟出学生进行装配时的物理场景，参考真实实验室布局[15]，调整好模型之间的大小比例和位置关系，实验室整体效果如下页图5所示。为实现平台的交互功能，可通过Visual Studio脚本程序构建UI界面，将平台的使用引导逻辑包含在界面中。同时，平台设计了不同的功能模块，其中，航空发动机装配操作仿真是平台的核心功能，通过对零件添加Collider（碰撞控件）并挂载脚本，实现提示引导学生进行航空发动机部件装配并考核的功能，进而能够展开良好的人机交互。

图5 实验室整体效果

●虚拟仿真实验教学应用

发动机装配虚拟教学平台采用虚拟现实开发技术，使传统的发动机装配实践教学转向虚拟仿真教学。为了更好地发挥虚拟仿真平台的技术优势，平台设计了不同的功能模块，探索不同教学方法在实验教学中的应用，为相关专业学生的专业知识和实践探索能力的培养提供平台。

1.虚拟仿真软件组成

（1）航空发动机知识教学模块

本模块以发动机构造知识教学为核心，全面介绍航空发动机基础理论知识，如推力产生过程、整机工作原理、结构功能、种类划分、发展历史等。模块的教学可采用讲授法和演示法，充分利用平台提供的图片文字信息和三维模型，着重提升学生对航空发动机基础知识的理解掌握程度，为后续实验进程奠定认知基础。

（2）微型涡喷式航空发动机装配模块

该模块是虚拟实验的主要部分。此模块通过演示法、自主学习法让学生完成装配操作并学习零部件的连接关系、装配工艺等知识。通过交互式操作，学生可深入接触航空发动机的装配作业，从而加深对发动机结构的理解掌握，复习巩固相应基础理论知识。同时，理论知识的学习能够帮助学生更好地进行装配操作训练。

（3）实验考核评价模块

为了考核学生在虚拟装配教学过程中的学习情况，平台设计了装配操作考核和实验报告两部分考核评价内容。装配操作考核主要对学生的发动机装配操作掌握情况进行检测。平台设置了检测与纠错功能，引导学生正确完成装配，对学生的操作情况进行评分。实验报告重点考查学生对发动机基础知识和装配技术的掌握程度，并收集学生对平台的使用建议用以优化平台。

2.虚拟仿真实验操作步骤

虚拟装配平台的交互性操作流程如图6所示。

图6 虚拟装配平台的交互性操作步骤

虚拟装配平台的操作步骤如下：

①学生按照课程要求注册平台并登录，开始实验。

②进入发动机知识教学模块，通过鼠标点击查看知识点，学习航空发动机基础知识；对于发动机结构认知的学习，平台通过鼠标点击高亮并弹出知识卡片的方式执行教学设计。

③进行发动机装配训练。学生先进入教学模式，按照提示引导，通过鼠标点击拖动完成装配操作学习，完成后进入自主操作模式，在没有提示的情况下自行完成装配，学生可以重复进行装配训练。

④进行实验考核评价。装配操作考核要求学生在没有提示的情况下自行完成发动机装配操作，考核成绩计入最终实验成绩。学生在课后按照课程要求自行完成实验报告的撰写。

⑤学生将实验报告上传至平台，完成所有操作，结束实验。

●虚拟仿真教学实验平台的意义

1.满足产业人才培养需求

航空发动机是目前国家重点发展的战略科技产业，对自主创新型人才的培养提出了迫切的需求。航空发动机传统装配模式涉及定位、尺寸、工装、连接等工艺，而数字化装配模式涉及数字量协调、数字化检测、装配路径规划等先进技术。传统的装配实验教学难以满足新兴的数字化装配的需求，而在虚拟现实技术的支持下，虚拟装配实验可以为学生提供相应的教学服务，让学生充分感受到行业前景，便于与相关岗位无缝对接。

2.完善教学体系

航空发动机装配实践教学是航空发动机结构类课程的重要一环，在航空院校教学培养方案中有着重要地位。虚拟现实技术的引入使发动机装配实验课程的教学方式不再延续传统的实地培训教学，建立了以解决工程问题为目的的培养新模式。虚拟装配教学平台的教学、实验、考核功能基本涵盖了装配实践课程要求，可独立开展实验培训，同时，与航空发动机结构类理论课程教学配套，形成“教、学、考”一体的教学体系，组成一整套航空发动机构造教学系统。未来，可在此平台的基础上继续开发，引入故障模拟、虚拟维修、性能仿真等功能，迭代为航空发动机综合虚拟仿真平台。

3.提高教学效率

虚拟现实技术的沉浸性、交互性、构想性对实验教学课程是一种有力的支撑，对学生而言，最直观的交互式教学有助于激发学习自主性，促进学习与探索能力的培养。与传统的发动机装配实验教学相比，虚拟装配教学平台可以更好地完成教学演示并实施理论与实践并重的教育方针，同时也可以扩展机械、控制等相关学科学生的学术视野，培养其投身航空航天领域的情怀。教学平台的应用方便学生进行自主学习，不受教具、场地、时间的约束，增强实践能力，最终提高教学质量与效率。

●总结

本文以产业需求为导向，推动教学方法面向工程技术人才培养改进，通过实验研究性教学，虚拟现实技术的交互式、沉浸式体验，加强学生对实验教学知识的理解和掌握，使学生在教学安排或自行组织下通过虚拟教学平台学习，掌握航空发动机知识，熟悉航空发动机装配工艺。笔者对产学研合作背景下实验教学进行的研究和实践，构建了新的信息化教学模式，期望能更好地发挥实验教学的功能，促进航空类复合型应用人才的培养。