飛機(jī)機(jī)翼數(shù)字化裝配虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

趙熹 李雨軒 關(guān)世璽 喻明讓

摘要 飛機(jī)裝配是飛機(jī)制造最重要的環(huán)節(jié)，一般占到生產(chǎn)周期的50-70%。然而該培養(yǎng)方向具有特殊性，一般高校難以匹配相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件，導(dǎo)致相關(guān)課程無法開展所需實(shí)驗(yàn)，課程設(shè)計(jì)內(nèi)容不夠充實(shí)，不利于學(xué)生專業(yè)技能和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為此針對(duì)飛機(jī)裝配實(shí)驗(yàn)的對(duì)象特殊、資源稀缺、環(huán)境匱乏等問題開發(fā)了飛機(jī)機(jī)翼裝配虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可根據(jù)學(xué)到的知識(shí)設(shè)計(jì)新型零部件結(jié)構(gòu)，并且自主完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成形制造、裝配，具備較好的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度。實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)實(shí)踐能力為導(dǎo)向，以期提高飛機(jī)裝配領(lǐng)域的人才培養(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。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真；數(shù)字化裝配；實(shí)踐能力；培養(yǎng)質(zhì)量

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.6.035

1飛機(jī)裝配虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)的意義

1.1飛機(jī)先進(jìn)裝配技術(shù)的重要性及教學(xué)現(xiàn)狀

飛機(jī)制造屬于國民經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)領(lǐng)域，符合科技創(chuàng)新戰(zhàn)略需求。飛機(jī)的裝配質(zhì)量要求高，這是因?yàn)轱w機(jī)各部件的氣動(dòng)外形、外廓尺寸、各部件之間的相互位置等，都是在裝配過程中獲得并確定的。飛機(jī)裝配是飛機(jī)制造過程中的主要環(huán)節(jié)，對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品的性能、壽命和成本都有很大影響[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%。因此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%，大大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，已經(jīng)成為飛機(jī)制造行業(yè)的熱點(diǎn)[3]。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)裝配工藝最有效的途徑。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]。

傳統(tǒng)教學(xué)注重理論知識(shí)的講述，多數(shù)學(xué)生缺乏實(shí)際操作訓(xùn)練，且對(duì)于實(shí)際操作的知識(shí)嚴(yán)重匱乏，不能滿足企業(yè)以及國家對(duì)飛機(jī)制造專業(yè)人才的需求。對(duì)于飛機(jī)機(jī)翼裝配方面的教學(xué)，更是由于缺乏環(huán)境和資源、資金極其昂貴、周期長等問題而使該專業(yè)領(lǐng)域的教學(xué)處于嚴(yán)重落后階段。因此飛行器制造領(lǐng)域的教學(xué)亟待改革。

1.2飛機(jī)裝配虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)意義

根據(jù)飛行器制造工程專業(yè)培養(yǎng)方案和現(xiàn)代飛機(jī)裝配技術(shù)的智能化、數(shù)字化的特點(diǎn)，以飛機(jī)機(jī)翼裝配的教學(xué)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)與裝配課程提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，彌補(bǔ)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)軟、硬件資源不足等問題。在提高動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的同時(shí)，讓學(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，滿足了國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，彌補(bǔ)了該專業(yè)虛擬模擬實(shí)驗(yàn)方面的空白，對(duì)飛行器制造工程專業(yè)領(lǐng)域教學(xué)的改革創(chuàng)新具有重大戰(zhàn)略意義。

2飛機(jī)機(jī)翼數(shù)字化裝配虛擬仿真實(shí)驗(yàn)介紹

2.1創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)思路

按照系統(tǒng)化設(shè)想，以機(jī)翼零部件為起點(diǎn)，以飛機(jī)機(jī)翼的整體裝配為目標(biāo)，按知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，由機(jī)翼結(jié)構(gòu)認(rèn)知→蒙皮成形過程→蒙皮去應(yīng)力熱處理→機(jī)翼數(shù)字化裝配→鉆孔參數(shù)計(jì)算→蒙皮自動(dòng)鉆鉚來構(gòu)成一個(gè)整體的機(jī)翼裝配實(shí)驗(yàn)體系，通過交互式仿真手段，將飛機(jī)機(jī)翼的裝配及過程完整呈現(xiàn)。該體系涵蓋了“飛機(jī)鈑金成型工藝”“飛機(jī)構(gòu)造學(xué)”“飛機(jī)裝配工藝學(xué)”等專業(yè)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，涵蓋12大類別的知識(shí)點(diǎn)。三個(gè)模塊互為依托，分別闡述“包含哪些零部件”“零部件怎么制造”“零部件怎么裝配”三個(gè)基本問題，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握機(jī)翼基本結(jié)構(gòu)組成、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，并以飛機(jī)機(jī)翼零部件作為主線貫穿整個(gè)過程。附帶工藝過程動(dòng)態(tài)圖和對(duì)學(xué)生專業(yè)知識(shí)的拓展性考查，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。學(xué)生可通過交互式、探究式學(xué)習(xí)，掌握鈑金類產(chǎn)品零部件的加工工藝、制造過程及熟悉相關(guān)設(shè)備的安全操作，具體規(guī)劃如下：項(xiàng)目根據(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)，按照體系化設(shè)想，以主機(jī)廠實(shí)際應(yīng)用需求為驅(qū)動(dòng)，以飛機(jī)機(jī)翼零部件為主線，以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)翼裝配虛擬仿真為目標(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)鉆鉚實(shí)驗(yàn)體系，該體系囊括了“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，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行了工程識(shí)圖、安全教育、加工工藝、設(shè)備操作、裝配檢驗(yàn)等方面的教育實(shí)踐。

此外，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)。實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)實(shí)踐能力為導(dǎo)向，以期提高飛機(jī)裝配領(lǐng)域的人才培養(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[7]。

2.2創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)過程

該實(shí)驗(yàn)?zāi)M分為三大模塊，從認(rèn)識(shí)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)到機(jī)翼的制造再到機(jī)翼零件的裝配，是從理論知識(shí)的學(xué)習(xí)到零件工藝的學(xué)習(xí)再到模擬操作裝配出整個(gè)機(jī)翼的流程。中間也不乏零件的三維靜態(tài)圖、對(duì)工藝過程的動(dòng)態(tài)展示、對(duì)飛機(jī)制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀以及對(duì)專業(yè)知識(shí)的拓展考查。根據(jù)工藝要求分別選擇坯料材質(zhì)及尺寸、成形方式、工藝參數(shù)等，展示應(yīng)力云圖并進(jìn)行去應(yīng)力退火操作，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，實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)根據(jù)操作過程進(jìn)行評(píng)分。

3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的“兩性一度”

對(duì)于教學(xué)的改革與創(chuàng)新，重點(diǎn)在于改革后的教學(xué)是否能整合知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的能力；是否包含創(chuàng)新點(diǎn)，教學(xué)形式是否新穎；是否注重學(xué)習(xí)過程并且是否對(duì)教學(xué)具有較高要求。也即應(yīng)該具備高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。

3.1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的高階性

從總體上看，飛機(jī)機(jī)翼數(shù)字化裝配虛擬仿真實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)模塊，從機(jī)翼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)到最終操作裝配機(jī)翼，涵蓋了整個(gè)機(jī)翼制造及裝配過程，且實(shí)驗(yàn)流程十分清晰。每個(gè)模塊既包含對(duì)零件的三維建模，工藝過程的三維動(dòng)態(tài)流程圖又包含了對(duì)現(xiàn)代飛機(jī)相關(guān)專業(yè)實(shí)踐知識(shí)的考查，在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了專業(yè)知識(shí)，并且在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了多種任務(wù)以及多種不同的實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備，具有較強(qiáng)的自主選擇性，由學(xué)生自主做出判斷和操作，而且系統(tǒng)可根據(jù)不同的操作生成不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比如在蒙皮成形模擬過程中，學(xué)生可自主選擇不同的蒙皮坯料和加工方式，尤其是選擇不同的熱處理溫度和時(shí)長會(huì)產(chǎn)生不同的殘余應(yīng)力分布結(jié)果，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中深刻體會(huì)到不同的操作方式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)現(xiàn)知識(shí)、技能和專業(yè)素質(zhì)有機(jī)結(jié)合，在自主實(shí)驗(yàn)的過程中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和獨(dú)立思考的能力，具有較強(qiáng)的高階性。

3.2實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性

首先在每個(gè)模塊實(shí)驗(yàn)開始前都有若干思政題，比如我國現(xiàn)階段飛機(jī)研制所取得的成就等，這些問題比較前沿并且是當(dāng)今時(shí)代飛行器的熱點(diǎn)，具有時(shí)代性，不僅能向?qū)W生普及飛行器的基礎(chǔ)知識(shí)，還能通過有趣的問題激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。其次，實(shí)驗(yàn)通過人機(jī)交互技術(shù)豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生自主動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和對(duì)問題進(jìn)行深入思考，這種創(chuàng)新性的方法極大地提升了學(xué)習(xí)效率。簡單的人機(jī)交互使學(xué)生快速認(rèn)識(shí)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)組成，對(duì)工藝過程順序的選擇可以讓學(xué)生自主思考工藝流程及原理；較為復(fù)雜的人機(jī)交互，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)選擇進(jìn)行反饋，顯示出不同的工藝過程動(dòng)畫和不同的應(yīng)力云圖，而且在拉形后還設(shè)置了去應(yīng)力熱處理工序，并通過云圖應(yīng)力變化十分形象地展現(xiàn)了退火對(duì)消除內(nèi)應(yīng)力的作用，不僅使知識(shí)方便理解而且引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考，除此以外在實(shí)驗(yàn)過程還包括對(duì)計(jì)算和識(shí)圖能力的提升。

最后，在機(jī)翼裝配模塊中實(shí)驗(yàn)零件庫中包括數(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，且激光定位，移動(dòng)，夾緊工架等步驟均由學(xué)生自主完成。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中學(xué)生能夠真實(shí)地體驗(yàn)數(shù)字化機(jī)翼裝配的整個(gè)過程，實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用了激光定位器、柔性型架、自動(dòng)鉆鉚機(jī)等實(shí)驗(yàn)儀器，能夠讓學(xué)生更加深刻認(rèn)識(shí)和理解現(xiàn)代飛機(jī)裝配的技術(shù)。總體來說，該虛擬實(shí)驗(yàn)利用了三維動(dòng)畫技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)等創(chuàng)新性的技術(shù)向?qū)W生描繪了真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的各項(xiàng)工藝過程，不僅比傳統(tǒng)教學(xué)方式的效率更高，而且能夠帶給學(xué)生認(rèn)知和專業(yè)能力的提升，以極其新穎的創(chuàng)新方式深化飛行器制造工程專業(yè)的教學(xué)改革，使教學(xué)形式體現(xiàn)先進(jìn)性和互動(dòng)性，使教學(xué)結(jié)果具有探究性和個(gè)性化，創(chuàng)新性非常強(qiáng)。

3.3實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)度

由于實(shí)驗(yàn)需要體現(xiàn)出機(jī)翼數(shù)字化裝配的具體過程，需要盡可能地去近似模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的情景和過程，包含對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的三維建模，對(duì)蒙皮應(yīng)力的有限元分析，對(duì)拉形和熱處理的動(dòng)畫建模，需要充分熟練運(yùn)用三維建模軟件和有限元軟件，特別是對(duì)機(jī)翼數(shù)字化裝配模塊的建模，更是需要對(duì)機(jī)翼先進(jìn)數(shù)字化裝配過程的充分了解。這些不僅需要開發(fā)者具有扎實(shí)的基礎(chǔ)飛行器制造知識(shí)、強(qiáng)大的實(shí)踐操作能力和豐富的經(jīng)驗(yàn)，而且對(duì)于每一模塊最后的拓展題來說，老師和學(xué)生必須具備扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)才能理解這些拓展題背后的基本原理。此外，如何對(duì)該模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化，豐富其中的內(nèi)容，優(yōu)化使用者的體驗(yàn)或者引入更新型的教學(xué)方式，這些仍需進(jìn)一步探索，并且需投入更多的人力財(cái)力，這些對(duì)開發(fā)者和使用者都提出了較高的要求，足以體現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)具有較高的挑戰(zhàn)度。

4總結(jié)

習(xí)近平總書記指出：“教育是人類傳承文明和知識(shí)、培養(yǎng)年輕一代、創(chuàng)造美好生活的根本途徑”[8]。我校針對(duì)飛行器制造工程專業(yè)的教學(xué)弊端提出的具有較強(qiáng)創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的教學(xué)改革方式——通過三維建模和人機(jī)交互來仿真模擬機(jī)翼數(shù)字化裝配實(shí)驗(yàn)，取得了優(yōu)秀的教學(xué)效果，深化了教學(xué)改革，彌補(bǔ)了飛行器制造領(lǐng)域的教學(xué)資源匱乏的問題，對(duì)飛行器制造專業(yè)的教學(xué)改革起到了拋磚引玉的作用，并引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，主動(dòng)提升動(dòng)手能力，使學(xué)生充分投入到模擬實(shí)驗(yàn)中去。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是效果顯著且成功的有關(guān)飛行器制造工程專業(yè)的教學(xué)改革。

*通訊作者：趙熹

基金項(xiàng)目：2022年度山西省高度學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目“‘飛機(jī)機(jī)翼數(shù)字化裝配虛擬仿真實(shí)驗(yàn)國家一流課程建設(shè)“（J20220618）；2021年度教育部協(xié)同育人項(xiàng)目“‘成形工藝及模具線上、線下混合式教學(xué)課程建設(shè)”（202102039010）；2021年度國家一流專業(yè)建設(shè)背景下飛機(jī)裝配虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究（202102326002）。

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