虚拟仿真在“航空发动机结构”实践教学中的应用

朱昭君 方鹏亚 李仁凤 栗俊芬

［摘 要］ “航空发动机结构”是飞行器动力工程专业人才培养中的专业核心课程，针对教学过程中对于发动机各个结构件的装配和结构设计分析缺少直观认识的问题，总结分析了该课程在教学实践过程中存在的问题。提出建立先进的虚拟仿真涡扇发动机装配系统，虚拟仿真装配系统包括结构件的三维建模、发动机虚拟静态环境建立和人机交互式设计与开发等内容。在教学过程中采用虚拟仿真发动机装配系统，能够实现发动机装配结构教学内容的混合式教学，扩展创新式教学方法，拓宽学生的学习领域，提高沉浸式实验效果。

［关键词］ 航空发动机；虚拟仿真；实践教学探索；人机交互

［基金项目］ 2022年度河南省重点研发与推广专项（科技攻关）项目“耐高温碳基类复合材料复杂载荷下等效力学性能研究”（222102230048）；2022年度郑州航院教育教学改革研究与实线项目“基于虚拟仿真实验的‘航空发动机结构实践教学平台建设与研究”（zhjy22-177）；2022年度郑州航空工业管理学院研究生教育改革与发展研究项目“需求导向下航空宇航学科研究生培养模式改革研究与实践”（2022YJSJG17）

［作者简介］ 朱昭君（1981—），女，山西阳泉人，博士，郑州航空工业管理学院航空发动机学院讲师，主要从事飞行器设计及飞行力学研究；方鹏亚（1986—），男，河南郑州人，博士，郑州航空工业管理学院航空发动机学院副教授，主要从事可靠性与寿命预测研究；李仁凤（1989—），女，山西晋中人，博士，郑州航空工业管理学院航空发动机学院讲师，主要从事计算流体力学研究。

［中图分类号］ G642.0［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）21-0128-04［收稿日期］ 2022-08-20

引言

2016年，我国全面启动实施航空发动机及燃气轮机重大专项，重点聚焦涡扇发动机和涡喷发动机领域。“航空发动机结构”是郑州航空工业管理学院飞行器动力工程专业本科阶段的核心课程，涵盖力学、流体力学、传热学、机械设计、材料科学与工程等学科，是一门综合性课程。“航空发动机结构”课程以航空涡喷发动机和航空涡扇发动机为研究主体，主要涉及结构设计方法、部件装配原则以及性能分析方法等内容。课程的实践教学是学生认识并了解航空发动机各个重要核心结构件、掌握结构设计方法的重要环节，在实践教学过程中学生可以从理论知识的学习深入到各个核心结构件的直观认识，并提高动手实践能力，发挥自主性和能动性。

在不断推进教育信息化质量建设的过程中，为了较好地满足航空发动机专业创新型人才培养的需求，我校针对“航空发动机结构”课程教学过程中面临的理论与实践教学结合点比较弱、实践教学效果不明显、实验成本高、发动机核心结构件缺少仿真模型等问题，提出依托虚拟现实等数字化的先进技术手段提升实践教学效果的方式方法，设计出实用性强的虚拟仿真实验教学内容。因此，以“航空发动机结构”课程核心教学目标为导向，围绕典型涡扇发动机结构件装配的知识点，建设航空发动机结构装配系统的虚拟仿真实验教学资源。发动机核心结构件的虚拟仿真装配实验系统的实现可以完善线上和线下实验教学方法，扩展创新式教学方法，并且拓宽学习领域，增强学生的沉浸式实验效果，推动航空发动机结构核心专业课的虚拟仿真实验教学效果模式创新和教学模式的持续改革。

一、虚拟仿真实验的国内外发展现状

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）又称虚拟仿真，以计算机技术为核心，结合三维建模、算法研究建立与真实世界高度近似的虚拟场景，实现用户和虚拟场景对象的交互操作。虚拟仿真技术在多个领域得到了较为广泛的应用，包括材料成型［1-3］、机械系统设计及加工［4-7］、医学研究［8-10］等。日本将虚拟仿真技术应用于多类型的知识库和游戏产业领域，逐渐成为全球游戏产业的创新中心。德国将虚拟仿真技术应用于汽车制造业领域，用于演示汽车发动机内部流场变化和动力装置的产品特性。

现今虚拟仿真技术越来越受到国内科研院所和高校的重视，国内实现了多种虚拟环境的建立和分布式虚拟场景系统的研发。北京航空航天大学是国内最早开展虚拟技术研究的院校，该校开发了飞行员训练模拟系统。浙江大学的程捷等［11］完成的虚拟仿真系统可以解决真实实验过程中高分子材料燃烧时污染毒性大的安全性问题，也可以实现创新性材料配方的验证，设计的虚拟仿真实验模块可以使学生都参与到实验及交互式观测中。湖北工业大学的黄涛等［12］探索虚拟仿真实验教学体系在“材料力学”课程中的应用，设计的材料力学实验系统可以把基本的力学性能实验通过虚拟仿真实验系统实现，学生在实验过程中更容易掌握材料的动态应力和应变的变化过程。国防科学技术大学开发了雷达预警的虚拟仿真模拟训练系统，结合动画和图像技术等多种技术开发了雷达装备虚拟训练系统，为平时训练和演练提供了很大的帮助。

二、航空发动机虚拟装配实验的应用

虚拟仿真实验在实践教学过程中利用图像、视频和声音可以充分调动学生的积极性，包含多种图像处理系统以及动态模拟化的实验教学内容。虚拟仿真实验系统开发的重点是虚擬对象的建模和交互功能的设计。现今可视化视景常见的软件有Unity 3D、Vega和Virtools等，三维模型的建模软件平台有CATIA、UG NX、3ds MAX等。CATIA软件的优势在于强大的曲面设计及适用于结构件的大型装配，适用于航空航天设计领域。

航空发动机是飞机最重要的组成部分，发动机的装配、点火实验、部件检测和维修等对环境都有较高的要求。郑州航空工业管理学院的振动与故障诊断实验室、流体气动实验室和航空维修实验室拥有多种航空发动机型号及发动机结构件的教具，这些实验设备可以观摩学习课程的实验教学，教具包括燃烧室壳体、尾喷管、微型涡扇发动机等，图1为微型缩比发动机，图2为燃烧室壳体教具。

虽然上述实验室具有的实验设备和教具可以实现教师的讲授与学生的观摩学习，但是这些设备多是模型样机，无法实现整机的结构设计装配和拆装实践教学。由于缺少涡轴和涡扇发动机结构件的模型库，在发动机装配和拆装的学习过程中，学生往往缺少深刻的认识，这种学习方式已显现出短板，因此航空发动机虚拟仿真装配实验系统的建设是一项亟待探索和研究的工作。

相比于其他领域的教学应用实践而言，郑州航空工业管理学院航空发动机结构虚拟仿真教学系统的应用实践略有不足。由于航空发动机的虚拟仿真装配实验具有可以实现节能、提高安全性和不受实际场地限制的特点，因此可以让学生在学习发动机的原理和总体性能时，把对内部流场及相关参数的测试和分析，从表面认识上升到全方位观察以及沉浸式、交互式学习。同时，使学生在可视化的环境下交互式认识发动机各个部件三维模型的虚拟装配，掌握在压气机和涡轮内各个部件中，机匣的装配顺序和轉子与静子间装配位置的动态干涉问题，理解发动机的工作原理。

（一）先进涡扇发动机装配系统的建立

航空发动机结构的虚拟仿真装配实验系统在虚拟仿真及计算机图像技术、软件开发及建模软件的基础上，利用Unity 3D虚拟视景开发软件设计发动机虚拟装配环境，设计虚拟仿真装配教学环境，使学生掌握结构件的装配原则和发动机内流场的流固耦合的研究方法，使实践教学达到良好的效果。共设计两个模块，包括结构件三维模型库的建立以及发动机虚拟仿真装配和认知学习，具体内容如图3所示。

（二）结构件的三维建模

航空发动机装配系统属于非工作状态下的发动机模型，建立的发动机模型属于静态模型，因此，可以选择有代表性的涡扇发动机为虚拟仿真实验的研究对象。涡扇发动机由进气装置、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成，图4为涡扇发动机的结构简图。

基于CATIA软件建立发动机结构件的三维模型，以涡扇发动机叶片的三维建模为重点教学对象，叶片强度和刚度的性能是决定发动机能否达到使用要求最直接和最关键的一个环节。航空发动机叶片的数量多达上千片，叶片的三维模型的建立需要细化叶片的几何尺寸参数。研究叶片的平面叶栅构造参数，建立叶片的参数化建模方法，对于学生深入理解转子叶片和静子叶片的叶型设计以及叶型对流场的影响具有重要作用。

（三）发动机总体结构装配和认知

航空发动机总体结构的虚拟场景需要完成发动机部件三维模型的调用、结构件的多视图显示和消隐操作、外围设备的接入测试以及发动机装配过程的人机交互。Unity 3D软件可以实现视景的设计，在应用程序中可以完成初始化、系统定义和配置的静态描述，创建发动机结构件虚拟场景的范围和位置，整理加入装配系统的整体发动机数据和单个结构件模型数据。针对航空发动机的总体结构，可以在虚拟仿真装配实验系统中借助视频、动画等技术实现学生对压气机、燃烧室、涡轮和喷口等部件的直观认识。人机交互过程中可以使学生在结构件的二维结构图与三维模型之间建立对应性和关联性，在虚拟实验的基础上掌握发动机的装配原则。

结语

针对“航空发动机结构”课程教学实践存在的问题，通过对发动机虚拟装配实验进行分析和探索，提出采用虚拟仿真系统演示法实现学生对结构件的认知，在设计的虚拟仿真装配实验系统中，建立进气口、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管的三维模型数据库，设计报告学习手册，让学生直观了解发动机的工作过程。在教学实践过程中，还可以通过建模方法布置任务，学生自主学习建模方法，了解各部件的工作原理。

演示法和交互操作可以方便学生操作界面，包括对发动机整体结构和每一个结构件的自动装配，以及基于接入设备的手动交互操作，使学生通过观察虚拟仿真系统发动机的结构展示与自动装配，了解工作参数对发动机结构件的影响规律，加深学生对发动机喘振、失速等状态的理解，进一步提升学生的创新实践能力。

参考文献

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［12］黄涛，胡佳恒，付佩.虚拟仿真实验在材料力学课程教学改革中的应用研究［J］.实验科学与技术，2022，20（1）：34-38.

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