民航发动机虚拟装配在教学改革中的创新性

21世纪, 教育观念发生了重大转变, 教育手段日益先进, 实施教育现代化是教育革命的必然趋势。航空发动机实践教学不仅能帮助学生形成正确的概念, 加深对规律的理解, 而且与课堂理论教学相比, 实践课程在培养和提高学生动手实践能力、观察能力、理论联系实际能力等方面有着不可替代的作用。传统的民航发动机方面的实践教学投入大、耗费人力和物力, 而且, 航发设备陈旧老化的问题也比较突出。虽然学校购置了大量航发器材设备, 但是由于民航发展和机型更新速度快, 以及学校办学规模不断扩大, 使得传统的实践教学模式在现阶段难以满足工程教育的要求。随着计算机软硬件的发展, 构建桌面虚拟实践平台, 代替实物实践教学, 不但可以满足实践教学的需要, 而且降低了教学成本。因此, 虚拟仿真技术为新教学媒体应用开辟了一条道路, 使个性化实践教学真正成为可能。

1 民航发动机虚拟装配技术路线

虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分, 利用虚拟装配, 可以验证装配设计和操作的正确与否, 以便及早的发现装配中的问题, 对模型进行修改, 并通过可视化显示装配过程。

以民航发动机常用机型V2500-5A和CFM56-5B为研究对象, 通过Solidworks、CATIA与Cortona3D相结合的软件工作方, 依照航空发动机的装配工艺, 进行虚拟装配。这种结合Solidworks与Cortona3D的软件组合方式生成的演示文件具有可移动性强、演示方便等优点。根据航空器制造厂商提供的AMM, 发动机厂商提供的EM, 结合航空维修企业的OMP, 编写航空发动机关键系统和部件的IPC和MANUAL脚本文件。根据发动机制造厂商提供的IPC和MANUAL, 设计维修动作, 采用Cortona3D实现模拟维修过程。通过网页形式的发动机装配工艺的演示, 解决了单纯依照文字描述工作方式不够直观的缺点, 使得装配技术的研究和应用更加便利。培训与测试程序使得培训人员感受在提示逼真的三维环境中进行模拟维护和维修, 实现了人机互动。将使虚拟制造技术形成一个完善的理论体系, 使生产真正在高效、高质量、短时间、低成本的环境下完成, 同时又具备了良好的服务。

2 虚拟装配软件

Cortona3D软件是一个具有强大的成本效益的制作套件, 它可以给组织以灵活性来进行生产, 如可互动的零件目录, 制作维修手册, 培训教材和工作指导等。这些制作套件可以使企业能够重复使用现有的三维CAD数据源或其他材料, 来更有效的支持文件的交互式三维可视化, 大大降低工作量和节省时间。Parallel Graphics公司的虚拟手册编辑器和虚拟培训编辑器具备强大的编辑功能, 能帮助零基础或基础较薄弱的3D用户迅速掌握并建立复杂专业的3D应用平台。而Cortona3D软件的核心则是其中的虚拟手册编辑器和虚拟培训编辑器。

虚拟手册编辑器是一款功能强大的编辑应用软件, 该软件能够为技术的支持、维护及运行创建交互式动画3D仿真。该软件所提供的直观视觉途径和自然语言界面能帮助零基础或基础较薄弱的3D用户快速创建综合3D仿真, 并将其作为独立解决项目或并入已有的PLM (产品生命周期管理) 系统、IETM (交互式电子技术手册) 系统或CRM (客户关系管理) 系统。

3 虚拟装配在教学中的创新性

虚拟维修系统设计的目的是要把虚拟仿真技术作为学生的认知工具, 将其整合到学科教学中去, 使学生形象地建立起客观世界, 有效地提高实践教学质量, 激发学生学习兴趣, 真正提高学生的机务工程实践能力。为达到上述目的, 系统开发遵循“体现民航特色、与时俱进, 满足教学需求”的宗旨, 其内容包括如下几个方面。

电子样机是利用仿真技术对发动机进行真实化模拟, 机型的本体结构, 主要是风扇单元体, 核心机单元体 (包含高压压气机、燃烧室和高压涡轮三个子单元体) , 低压涡轮单元体等;主要系统及部件, 如空气系统, 滑油系统等。

IPC (Illustrated Parts Catalog) 图解零件目录IPC的体现形式是部件二维图和相应的零件目录表, 其为机务和工程技术人员提供飞机发动机所有可更换的零部件的件号、名称等重要信息。IPC在教学上经常用来展示发动机结构示意图以及部件之间的关联关系。在早期教学过程中起到了一定的作用。由于现代发动机结构越来越复杂, 传统的二维插图已无法满足教学使用。因此, 利用仿真技术开发的三维IPC用于课堂教学和实践教学可起到加深学生认知的效果, 其通过三维演示可以直观理解发动机布局和系统组成, 清楚地表达发动机和部件的结构, 以及发动机各单元体之间, 发动机与各系统部件之间的结构关系和拆卸/安装关系, 充分展现发动机及各零部件的内部的层次关系。虚拟维修系统开发的IPC是根据CFM56和V2500发动机IPC手册进行编写, 其图形窗口显示与三维CAD软件风格完全一致, 可以实现旋转、缩放、移动、透视和爆炸等诸多功能。系统用三维爆炸图来描述复杂产品零部件之间的关系, 使其清晰易懂。

MAN U AL模块根据B 7 3 7和A3 2 0的AMM手册中常用的航线维护程序内容编写的, 其主要目的在于: (1) 使同学了解发动机结构与系统课程中介绍的内容在实际中的应用, 使教学内容与工程实践紧密联系, 加深学生的认识; (2) 使学生熟悉今后的工作, 为将来的工作奠定基础。

该模块用三维动画形象直观地展示典型的航线维修工作的操作过程, 减少文字的描述。系统将操作动画和文本同时关联起来, 学生可以观察发动机每一步的拆装动画, 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。学生可以从不同角度充分了解各个部件是如何维修的。使用过程中, 学生可以顺序观看, 也可根据需要选择性观看, 这样大大提高了学习过程的自主性。对于原手册中的警告, 注意事项等内容, 系统在相关步骤演示过程中适时地通过对话框加以提示, 有效地实现了拆装维修时的警示作用。

摘要：论述了民航发动机虚拟装配在教学改革中的创新性, 阐明与传统教学相比, 虚拟装配技术在教学中的优势。以民航发动机常用机型为研究对象, 通过Solidworks、CATIA与Cortona3D相结合的软件工作方式, 依照航空发动机的装配工艺, 进行虚拟装配, 可以满足现代的实践性教学的需要。

关键词：教学改革,民航发动机,虚拟装配,创新性

参考文献

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