飛行器制造工程機(jī)翼裝配虛擬仿真試驗(yàn)

趙熹　陳凱　郭拉風(fēng)　關(guān)世璽　喻明讓

[摘 要] 為使學(xué)生快速掌握現(xiàn)代飛行器的裝配技術(shù)和裝配技能，解決飛機(jī)裝配實(shí)驗(yàn)對(duì)象特殊、資源稀缺、環(huán)境匱乏和周期長(zhǎng)等問題，采用3D建模、動(dòng)畫、人機(jī)交互等技術(shù)研發(fā)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。將基于飛機(jī)數(shù)字化的現(xiàn)代裝配技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，建立機(jī)翼結(jié)構(gòu)認(rèn)知→認(rèn)知考核→蒙皮熱成形工藝→成形質(zhì)量評(píng)價(jià)→機(jī)翼數(shù)字化裝配→蒙皮自動(dòng)鉆鉚全流程的實(shí)驗(yàn)方案，在重視基礎(chǔ)知識(shí)考查的基礎(chǔ)上設(shè)置能力提升模塊，體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)，讓學(xué)生在沉浸式認(rèn)知、交互式學(xué)習(xí)、體驗(yàn)式操作、探索式改進(jìn)中提升裝配工藝規(guī)劃能力與綜合創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞] 飛行器制造工程;機(jī)翼裝配;虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

[作者簡(jiǎn)介] 趙 熹（1983—），男，河北饒陽(yáng)人，工學(xué)博士，中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授，主要從事輕合金變形及強(qiáng)韌化研究;陳 凱（1995—），男，吉林白山人，工學(xué)碩士，中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，主要從事輕合金變形及強(qiáng)韌化研究。

[中圖分類號(hào)] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）12-0065-04? ?[收稿日期] 2020-06-29

一、專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀及建設(shè)機(jī)翼裝配虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的意義

（一）先進(jìn)裝配技術(shù)的重要性

產(chǎn)品裝配的合理性直接影響產(chǎn)品的使用性能和壽命[1]。在飛機(jī)制造過程中，飛機(jī)裝配的工作量占比約為45%～60%，合理的裝配方案可以極大地降低飛機(jī)制造費(fèi)用并提高生產(chǎn)率[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工裝配方式已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化、集成化、自動(dòng)化裝配模式。良好的裝配方案可以讓制造費(fèi)用降低20%～40%，同時(shí)生產(chǎn)率提高100%～200%。飛機(jī)數(shù)字化裝配，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，已經(jīng)成為行業(yè)熱點(diǎn)[3]。

（二）專業(yè)現(xiàn)有教學(xué)現(xiàn)狀

隨著航空產(chǎn)品復(fù)雜性的提高和裝配方式數(shù)字化轉(zhuǎn)型，航空企業(yè)對(duì)于學(xué)生的知識(shí)水平及實(shí)踐能力的要求也在不斷提升[4]。建立飛機(jī)裝配虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是訓(xùn)練學(xué)生動(dòng)手能力、了解先進(jìn)裝配工藝的最有效途徑。由于飛機(jī)所涉及的零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛度低、系統(tǒng)復(fù)雜[5]，所以教學(xué)難以配備硬件實(shí)驗(yàn)條件及軟件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[6]。目前專業(yè)教學(xué)存在飛機(jī)結(jié)構(gòu)與裝配課程設(shè)計(jì)內(nèi)容不夠充實(shí)的問題。

（三）建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的意義

根據(jù)飛行器制造工程專業(yè)培養(yǎng)方案和飛機(jī)裝配技術(shù)的特點(diǎn)，以飛機(jī)機(jī)翼為目標(biāo)建設(shè)虛擬仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，可以為飛機(jī)結(jié)構(gòu)與裝配課程設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，彌補(bǔ)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)軟硬件不足的問題。提高動(dòng)手能力的同時(shí)，使學(xué)生快速掌握現(xiàn)代飛機(jī)的先進(jìn)裝配技術(shù)和裝配技能，了解最新的裝配技術(shù)，讓學(xué)生走上崗位后能盡快適應(yīng)航空制造企業(yè)的要求。

二、研究思路

按照體系化設(shè)想，以飛機(jī)零部件為主線，以飛機(jī)機(jī)翼為目標(biāo)，根據(jù)知識(shí)結(jié)構(gòu)，建立機(jī)翼結(jié)構(gòu)認(rèn)知→蒙皮成形→機(jī)翼數(shù)字化裝配→蒙皮自動(dòng)鉆鉚飛機(jī)機(jī)翼裝配實(shí)驗(yàn)體系。該體系涵蓋了“飛機(jī)裝配工藝學(xué)”“飛機(jī)構(gòu)造學(xué)”“飛機(jī)鈑金成型工藝”等專業(yè)核心課程，梳理出“機(jī)翼結(jié)構(gòu)認(rèn)知”“蒙皮成形工藝”“機(jī)翼數(shù)字化裝配實(shí)驗(yàn)”三個(gè)典型的探究性實(shí)驗(yàn)?zāi)K，從而使學(xué)生系統(tǒng)地掌握主流先進(jìn)裝配技術(shù)原理、工藝設(shè)計(jì)方法、實(shí)驗(yàn)分析方法。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程體現(xiàn)了任務(wù)分配個(gè)性化、實(shí)驗(yàn)過程開放性、知識(shí)體系多元化等特點(diǎn)。其中知識(shí)體系多元化在重視基礎(chǔ)知識(shí)考查的基礎(chǔ)上設(shè)置能力提升問題，考查知識(shí)點(diǎn)具有體系性且涵蓋范圍廣。實(shí)驗(yàn)過程開放性在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)隨著不同的過程操作而模擬得到不同的結(jié)果，不再設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)答案，體現(xiàn)了創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。任務(wù)分配個(gè)性化使該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以學(xué)生為中心，任務(wù)發(fā)布做到“一人一題”。實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)實(shí)踐能力為導(dǎo)向，以期提高學(xué)生在該飛機(jī)裝配領(lǐng)域的培養(yǎng)質(zhì)量，使學(xué)生快速掌握現(xiàn)代飛行器的裝配技術(shù)和裝配技能，讓學(xué)生走上崗位后能盡快適應(yīng)航空制造企業(yè)的要求。

三、實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。使用學(xué)號(hào)登錄系統(tǒng)并閱讀實(shí)驗(yàn)原理與操作指南后進(jìn)入機(jī)翼結(jié)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)習(xí)各零部件功用后對(duì)學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考查，考查完畢后進(jìn)入蒙皮成形工藝實(shí)驗(yàn)?zāi)K。根據(jù)系統(tǒng)要求與提示分別確定坯料材質(zhì)及尺寸、成形設(shè)備、工藝參數(shù)等，最后出現(xiàn)有限元模擬結(jié)果并進(jìn)入機(jī)翼數(shù)字化裝配實(shí)驗(yàn)?zāi)K。首先在零件庫(kù)內(nèi)選取符合任務(wù)要求的零部件組合，在工裝庫(kù)中選擇骨架裝配型架并進(jìn)行骨架裝配，骨架裝配完成后選擇蒙皮裝配型架并對(duì)蒙皮進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚，至此完成全部實(shí)驗(yàn)任務(wù)，提交結(jié)果后完成實(shí)驗(yàn)。

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（一）機(jī)翼結(jié)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)

目標(biāo)機(jī)翼選擇為在結(jié)構(gòu)上具有普遍性的單梁式機(jī)翼，零件組成包括翼梁、縱墻、桁條、翼肋、蒙皮，此外還包括襟翼和副翼兩個(gè)部件。通過機(jī)翼零部件爆炸圖對(duì)各零部件所在位置進(jìn)行展示并對(duì)其名稱、受力、功能進(jìn)行說明。本實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生對(duì)單梁式機(jī)翼內(nèi)部的零部件功能及位置進(jìn)行了解，并了解機(jī)翼內(nèi)部載荷的傳遞路線。

（二）蒙皮成形工藝

系統(tǒng)給定目標(biāo)蒙皮的尺寸、服役條件后，首先對(duì)坯料材質(zhì)、尺寸進(jìn)行選擇，然后根據(jù)工藝方法選擇加工設(shè)備，通過題目給出的已知材料屬性選擇合理的加工溫度、下壓速率等工藝參數(shù)。使用有限元模擬軟件對(duì)加工過程進(jìn)行模擬并通過模擬的加載力曲線選擇加工設(shè)備噸位等級(jí)。如圖2所示，最后通過有限元模擬的應(yīng)變圖對(duì)不同工藝參數(shù)下應(yīng)變的大小及均勻性進(jìn)行考量，據(jù)此評(píng)定所選工藝參數(shù)的優(yōu)劣。

（三）機(jī)翼數(shù)字化裝配實(shí)驗(yàn)

1.零部件組合選擇及裝配。實(shí)驗(yàn)零件庫(kù)中包括數(shù)種不同類型的翼梁、翼肋、桁條以及其他零件的組合，可以根據(jù)題目中不同受載情況并運(yùn)用機(jī)翼零部件認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中的知識(shí)選擇合適的組合。零部件組合選擇完成后在型架庫(kù)中選擇對(duì)應(yīng)的機(jī)翼骨架裝配型架，并進(jìn)行零件的基準(zhǔn)選擇、定位和裝配。

本實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生進(jìn)一步了解各零部件的功用，學(xué)會(huì)梁式機(jī)翼骨架的裝配順序以及裝配過程中的基準(zhǔn)選擇、定位方法，通過實(shí)驗(yàn)了解內(nèi)定位的特點(diǎn)。

2.柔性化骨架裝配型架。裝配型架是保證飛機(jī)裝配質(zhì)量的關(guān)鍵，通常飛機(jī)裝配型架制造加工工作量占整機(jī)工裝的50%左右，且約占整機(jī)工作量40%以上的飛機(jī)裝配工作是依靠裝配型架來完成的[6]。基于低成本、通用性、高效率的考慮，實(shí)驗(yàn)運(yùn)用了柔性化的裝配型架。如圖3，裝配型架由一個(gè)整體的裝配平臺(tái)和上面若干個(gè)分散的由螺栓進(jìn)行連接的立柱組成，可以隨時(shí)改變立柱的位置。零件定位方式采用內(nèi)定位，骨架各零部件以工藝孔為定位基準(zhǔn)，通過定位銷固定在型架上的特定點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的外卡板定位骨架方法具有成本低、精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)[8]。

3.蒙皮裝配型架及蒙皮自動(dòng)鉆鉚。蒙皮裝配型架依然采用柔性化設(shè)計(jì)，通過骨架裝配型架進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整就可以變?yōu)槊善ぱb配型架。蒙皮定位方式采用外卡板進(jìn)行定位，外卡板通過連接接頭和螺栓固定在立柱卡槽上，所有立柱的卡槽統(tǒng)一，均可以實(shí)現(xiàn)互換性。定位完成后自動(dòng)鉆鉚機(jī)通過預(yù)先編訂程序進(jìn)行鉚接。鉚接定位裝配過程如圖4。通過實(shí)驗(yàn)可以掌握蒙皮裝配的基本步驟及使用外卡板進(jìn)行定位的方法，初步了解自動(dòng)鉆鉚機(jī)的運(yùn)作方式。

五、總結(jié)

針對(duì)高?，F(xiàn)有飛行器制造工程專業(yè)的不足，文章中提出了包括“機(jī)翼結(jié)構(gòu)認(rèn)知”“蒙皮成形工藝”“機(jī)翼數(shù)字化裝配”三個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的機(jī)翼裝配虛擬仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，涵蓋了“飛機(jī)裝配工藝學(xué)”“飛機(jī)構(gòu)造學(xué)”“飛機(jī)鈑金成型工藝”“成型工藝及模具設(shè)計(jì)”等專業(yè)核心課程知識(shí)，彌補(bǔ)了專業(yè)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件的不足。通過本實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力，快速掌握現(xiàn)代飛機(jī)的先進(jìn)裝配技術(shù)和裝配技能，讓學(xué)生走上崗位后能盡快適應(yīng)航空制造企業(yè)的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]畢利文，唐曉東，楊紅宇.飛機(jī)數(shù)字化裝配工藝仿真技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2008（20）：48-50.

[2]潘洋宇，王拴虎，龔光榮.計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機(jī)械，2003（2）：52-55.

[3]許國(guó)康.大型飛機(jī)自動(dòng)化裝配技術(shù)[J].航空學(xué)報(bào)，2008（3）：734-740.

[4]閆光榮，程偉，寧濤.高校飛行器制造工程專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33（4）：147-150.

[5]李靜洪，唐高虎，田剛，等.基于DELMIA的短艙結(jié)構(gòu)虛擬裝配過程仿真[J].機(jī)電一體化，2013，19（11）：52-55.

[6]劉長(zhǎng)青，李迎光，郝小忠.飛行器制造工程專業(yè)航空特色教學(xué)案例設(shè)計(jì)[J].高教學(xué)刊，2016（20）：60-61+64.

[7]曹增強(qiáng).國(guó)外大型飛機(jī)裝配型架設(shè)計(jì)的新方法[J].航空制造技術(shù)，2006（2）：60-61.

[8]邵宗科，殷東平，杜雄堯.無人機(jī)機(jī)翼裝配型架設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2015，31（2）：22-25.

Abstract：? In order to make students master the assembly technology and assembly skills of modern aircraft manufacturing quickly and solve the problems of special objects， scarce resources， lack of environment and long period of aircraft assembly experiment， this experiment teaching project has been developed by using 3D modeling， animation， human-computer interaction and other technologies. We have integrated modern aircraft digital assembly technology into the experiment teaching project and established the whole process experiment scheme of wing structure cognition→cognitive assessment→skin heat forming process→forming quality evaluation→wing digital assembly→skin automatic drilling and riveting. We have also set up the ability enhancement modules on the basis of attaching importance to the basic knowledge examination， emphasizing the innovation consciousness cultivation， so that students can improve the ability of assembly process planning and comprehensive innovation ability in immersive cognition， interactive learning， experiential operation， and exploration improvement.

Key words： aircraft manufacturing engineering; wing assembly; virtual simulation experiment