虛擬仿真在“航空發(fā)動機結構”實踐教學中的應用

朱昭君 方鵬亞 李仁鳳 栗俊芬

［摘 要］ “航空發(fā)動機結構”是飛行器動力工程專業(yè)人才培養(yǎng)中的專業(yè)核心課程，針對教學過程中對于發(fā)動機各個結構件的裝配和結構設計分析缺少直觀認識的問題，總結分析了該課程在教學實踐過程中存在的問題。提出建立先進的虛擬仿真渦扇發(fā)動機裝配系統(tǒng)，虛擬仿真裝配系統(tǒng)包括結構件的三維建模、發(fā)動機虛擬靜態(tài)環(huán)境建立和人機交互式設計與開發(fā)等內(nèi)容。在教學過程中采用虛擬仿真發(fā)動機裝配系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機裝配結構教學內(nèi)容的混合式教學，擴展創(chuàng)新式教學方法，拓寬學生的學習領域，提高沉浸式實驗效果。

［關鍵詞］ 航空發(fā)動機；虛擬仿真；實踐教學探索；人機交互

［基金項目］ 2022年度河南省重點研發(fā)與推廣專項（科技攻關）項目“耐高溫碳基類復合材料復雜載荷下等效力學性能研究”（222102230048）；2022年度鄭州航院教育教學改革研究與實線項目“基于虛擬仿真實驗的‘航空發(fā)動機結構實踐教學平臺建設與研究”（zhjy22-177）；2022年度鄭州航空工業(yè)管理學院研究生教育改革與發(fā)展研究項目“需求導向下航空宇航學科研究生培養(yǎng)模式改革研究與實踐”（2022YJSJG17）

［作者簡介］ 朱昭君（1981—），女，山西陽泉人，博士，鄭州航空工業(yè)管理學院航空發(fā)動機學院講師，主要從事飛行器設計及飛行力學研究；方鵬亞（1986—），男，河南鄭州人，博士，鄭州航空工業(yè)管理學院航空發(fā)動機學院副教授，主要從事可靠性與壽命預測研究；李仁鳳（1989—），女，山西晉中人，博士，鄭州航空工業(yè)管理學院航空發(fā)動機學院講師，主要從事計算流體力學研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）21-0128-04［收稿日期］ 2022-08-20

引言

2016年，我國全面啟動實施航空發(fā)動機及燃氣輪機重大專項，重點聚焦渦扇發(fā)動機和渦噴發(fā)動機領域。“航空發(fā)動機結構”是鄭州航空工業(yè)管理學院飛行器動力工程專業(yè)本科階段的核心課程，涵蓋力學、流體力學、傳熱學、機械設計、材料科學與工程等學科，是一門綜合性課程?！昂娇瞻l(fā)動機結構”課程以航空渦噴發(fā)動機和航空渦扇發(fā)動機為研究主體，主要涉及結構設計方法、部件裝配原則以及性能分析方法等內(nèi)容。課程的實踐教學是學生認識并了解航空發(fā)動機各個重要核心結構件、掌握結構設計方法的重要環(huán)節(jié)，在實踐教學過程中學生可以從理論知識的學習深入到各個核心結構件的直觀認識，并提高動手實踐能力，發(fā)揮自主性和能動性。

在不斷推進教育信息化質(zhì)量建設的過程中，為了較好地滿足航空發(fā)動機專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，我校針對“航空發(fā)動機結構”課程教學過程中面臨的理論與實踐教學結合點比較弱、實踐教學效果不明顯、實驗成本高、發(fā)動機核心結構件缺少仿真模型等問題，提出依托虛擬現(xiàn)實等數(shù)字化的先進技術手段提升實踐教學效果的方式方法，設計出實用性強的虛擬仿真實驗教學內(nèi)容。因此，以“航空發(fā)動機結構”課程核心教學目標為導向，圍繞典型渦扇發(fā)動機結構件裝配的知識點，建設航空發(fā)動機結構裝配系統(tǒng)的虛擬仿真實驗教學資源。發(fā)動機核心結構件的虛擬仿真裝配實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)可以完善線上和線下實驗教學方法，擴展創(chuàng)新式教學方法，并且拓寬學習領域，增強學生的沉浸式實驗效果，推動航空發(fā)動機結構核心專業(yè)課的虛擬仿真實驗教學效果模式創(chuàng)新和教學模式的持續(xù)改革。

一、虛擬仿真實驗的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）又稱虛擬仿真，以計算機技術為核心，結合三維建模、算法研究建立與真實世界高度近似的虛擬場景，實現(xiàn)用戶和虛擬場景對象的交互操作。虛擬仿真技術在多個領域得到了較為廣泛的應用，包括材料成型［1-3］、機械系統(tǒng)設計及加工［4-7］、醫(yī)學研究［8-10］等。日本將虛擬仿真技術應用于多類型的知識庫和游戲產(chǎn)業(yè)領域，逐漸成為全球游戲產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新中心。德國將虛擬仿真技術應用于汽車制造業(yè)領域，用于演示汽車發(fā)動機內(nèi)部流場變化和動力裝置的產(chǎn)品特性。

現(xiàn)今虛擬仿真技術越來越受到國內(nèi)科研院所和高校的重視，國內(nèi)實現(xiàn)了多種虛擬環(huán)境的建立和分布式虛擬場景系統(tǒng)的研發(fā)。北京航空航天大學是國內(nèi)最早開展虛擬技術研究的院校，該校開發(fā)了飛行員訓練模擬系統(tǒng)。浙江大學的程捷等［11］完成的虛擬仿真系統(tǒng)可以解決真實實驗過程中高分子材料燃燒時污染毒性大的安全性問題，也可以實現(xiàn)創(chuàng)新性材料配方的驗證，設計的虛擬仿真實驗模塊可以使學生都參與到實驗及交互式觀測中。湖北工業(yè)大學的黃濤等［12］探索虛擬仿真實驗教學體系在“材料力學”課程中的應用，設計的材料力學實驗系統(tǒng)可以把基本的力學性能實驗通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)實現(xiàn)，學生在實驗過程中更容易掌握材料的動態(tài)應力和應變的變化過程。國防科學技術大學開發(fā)了雷達預警的虛擬仿真模擬訓練系統(tǒng)，結合動畫和圖像技術等多種技術開發(fā)了雷達裝備虛擬訓練系統(tǒng)，為平時訓練和演練提供了很大的幫助。

二、航空發(fā)動機虛擬裝配實驗的應用

虛擬仿真實驗在實踐教學過程中利用圖像、視頻和聲音可以充分調(diào)動學生的積極性，包含多種圖像處理系統(tǒng)以及動態(tài)模擬化的實驗教學內(nèi)容。虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)的重點是虛擬對象的建模和交互功能的設計。現(xiàn)今可視化視景常見的軟件有Unity 3D、Vega和Virtools等，三維模型的建模軟件平臺有CATIA、UG NX、3ds MAX等。CATIA軟件的優(yōu)勢在于強大的曲面設計及適用于結構件的大型裝配，適用于航空航天設計領域。

航空發(fā)動機是飛機最重要的組成部分，發(fā)動機的裝配、點火實驗、部件檢測和維修等對環(huán)境都有較高的要求。鄭州航空工業(yè)管理學院的振動與故障診斷實驗室、流體氣動實驗室和航空維修實驗室擁有多種航空發(fā)動機型號及發(fā)動機結構件的教具，這些實驗設備可以觀摩學習課程的實驗教學，教具包括燃燒室殼體、尾噴管、微型渦扇發(fā)動機等，圖1為微型縮比發(fā)動機，圖2為燃燒室殼體教具。

雖然上述實驗室具有的實驗設備和教具可以實現(xiàn)教師的講授與學生的觀摩學習，但是這些設備多是模型樣機，無法實現(xiàn)整機的結構設計裝配和拆裝實踐教學。由于缺少渦軸和渦扇發(fā)動機結構件的模型庫，在發(fā)動機裝配和拆裝的學習過程中，學生往往缺少深刻的認識，這種學習方式已顯現(xiàn)出短板，因此航空發(fā)動機虛擬仿真裝配實驗系統(tǒng)的建設是一項亟待探索和研究的工作。

相比于其他領域的教學應用實踐而言，鄭州航空工業(yè)管理學院航空發(fā)動機結構虛擬仿真教學系統(tǒng)的應用實踐略有不足。由于航空發(fā)動機的虛擬仿真裝配實驗具有可以實現(xiàn)節(jié)能、提高安全性和不受實際場地限制的特點，因此可以讓學生在學習發(fā)動機的原理和總體性能時，把對內(nèi)部流場及相關參數(shù)的測試和分析，從表面認識上升到全方位觀察以及沉浸式、交互式學習。同時，使學生在可視化的環(huán)境下交互式認識發(fā)動機各個部件三維模型的虛擬裝配，掌握在壓氣機和渦輪內(nèi)各個部件中，機匣的裝配順序和轉(zhuǎn)子與靜子間裝配位置的動態(tài)干涉問題，理解發(fā)動機的工作原理。

（一）先進渦扇發(fā)動機裝配系統(tǒng)的建立

航空發(fā)動機結構的虛擬仿真裝配實驗系統(tǒng)在虛擬仿真及計算機圖像技術、軟件開發(fā)及建模軟件的基礎上，利用Unity 3D虛擬視景開發(fā)軟件設計發(fā)動機虛擬裝配環(huán)境，設計虛擬仿真裝配教學環(huán)境，使學生掌握結構件的裝配原則和發(fā)動機內(nèi)流場的流固耦合的研究方法，使實踐教學達到良好的效果。共設計兩個模塊，包括結構件三維模型庫的建立以及發(fā)動機虛擬仿真裝配和認知學習，具體內(nèi)容如圖3所示。

（二）結構件的三維建模

航空發(fā)動機裝配系統(tǒng)屬于非工作狀態(tài)下的發(fā)動機模型，建立的發(fā)動機模型屬于靜態(tài)模型，因此，可以選擇有代表性的渦扇發(fā)動機為虛擬仿真實驗的研究對象。渦扇發(fā)動機由進氣裝置、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，圖4為渦扇發(fā)動機的結構簡圖。

基于CATIA軟件建立發(fā)動機結構件的三維模型，以渦扇發(fā)動機葉片的三維建模為重點教學對象，葉片強度和剛度的性能是決定發(fā)動機能否達到使用要求最直接和最關鍵的一個環(huán)節(jié)。航空發(fā)動機葉片的數(shù)量多達上千片，葉片的三維模型的建立需要細化葉片的幾何尺寸參數(shù)。研究葉片的平面葉柵構造參數(shù)，建立葉片的參數(shù)化建模方法，對于學生深入理解轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片的葉型設計以及葉型對流場的影響具有重要作用。

（三）發(fā)動機總體結構裝配和認知

航空發(fā)動機總體結構的虛擬場景需要完成發(fā)動機部件三維模型的調(diào)用、結構件的多視圖顯示和消隱操作、外圍設備的接入測試以及發(fā)動機裝配過程的人機交互。Unity 3D軟件可以實現(xiàn)視景的設計，在應用程序中可以完成初始化、系統(tǒng)定義和配置的靜態(tài)描述，創(chuàng)建發(fā)動機結構件虛擬場景的范圍和位置，整理加入裝配系統(tǒng)的整體發(fā)動機數(shù)據(jù)和單個結構件模型數(shù)據(jù)。針對航空發(fā)動機的總體結構，可以在虛擬仿真裝配實驗系統(tǒng)中借助視頻、動畫等技術實現(xiàn)學生對壓氣機、燃燒室、渦輪和噴口等部件的直觀認識。人機交互過程中可以使學生在結構件的二維結構圖與三維模型之間建立對應性和關聯(lián)性，在虛擬實驗的基礎上掌握發(fā)動機的裝配原則。

結語

針對“航空發(fā)動機結構”課程教學實踐存在的問題，通過對發(fā)動機虛擬裝配實驗進行分析和探索，提出采用虛擬仿真系統(tǒng)演示法實現(xiàn)學生對結構件的認知，在設計的虛擬仿真裝配實驗系統(tǒng)中，建立進氣口、壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴管的三維模型數(shù)據(jù)庫，設計報告學習手冊，讓學生直觀了解發(fā)動機的工作過程。在教學實踐過程中，還可以通過建模方法布置任務，學生自主學習建模方法，了解各部件的工作原理。

演示法和交互操作可以方便學生操作界面，包括對發(fā)動機整體結構和每一個結構件的自動裝配，以及基于接入設備的手動交互操作，使學生通過觀察虛擬仿真系統(tǒng)發(fā)動機的結構展示與自動裝配，了解工作參數(shù)對發(fā)動機結構件的影響規(guī)律，加深學生對發(fā)動機喘振、失速等狀態(tài)的理解，進一步提升學生的創(chuàng)新實踐能力。

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The Application of Virtual Simulation in the Practical Teaching of Aero-engine Structure

ZHU Zhao-jun， FANG Peng-ya， LI Ren-feng， LI Jun-fen

（School of Aero Engine， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou， Henan 450046， China）

Abstract： Aero-engine Structure is a professional course in the aircraft power engineering. In view of the lack of intuitive understanding of the assembly and structural design analysis of various engine structural parts in the teaching process， the current problems faced in the teaching practice process are summarized and analyzed. An advanced virtual simulation turbofan engine assembly system was proposed. The virtual simulation assembly system includes three modeling of structural parts， the establishment of the virtual static environment of the engine， and the human-machine interactive design and development. In the later stage， the virtual simulation engine assembly system is used in the teaching process， which can realize the hybrid teaching mode of the teaching content of engine assembly structure， expand the innovative teaching method， broaden the students learning field and improve the effect of immersive experiment.

Key words： aero-engine; virtual simulation; practical teaching exploration; human-computer interaction