飞机机翼数字化装配虚拟仿真实验课程设计

赵熹 李雨轩 关世玺 喻明让

摘要 飞机装配是飞机制造最重要的环节，一般占到生产周期的50-70%。然而该培养方向具有特殊性，一般高校难以匹配相应的实验条件，导致相关课程无法开展所需实验，课程设计内容不够充实，不利于学生专业技能和创新能力的培养。为此针对飞机装配实验的对象特殊、资源稀缺、环境匮乏等问题开发了飞机机翼装配虚拟仿真实验，学生可根据学到的知识设计新型零部件结构，并且自主完成结构设计、成形制造、装配，具备较好的高阶性、创新性、挑战度。实验以培养实践能力为导向，以期提高飞机装配领域的人才培养质量，使学生快速掌握现代飞行器的装配技术和装配技能。

关键词 虚拟仿真；数字化装配；实践能力；培养质量

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.6.035

1飞机装配虚拟仿真实验建设的意义

1.1飞机先进装配技术的重要性及教学现状

飞机制造属于国民经济重点领域，符合科技创新战略需求。飞机的装配质量要求高，这是因为飞机各部件的气动外形、外廓尺寸、各部件之间的相互位置等，都是在装配过程中获得并确定的。飞机装配是飞机制造过程中的主要环节，对飞机产品的性能、寿命和成本都有很大影响[1]。在飞机制造过程中，飞机装配的工作量占比约为45%―60%。因此合理的装配方案可以极大地降低飞机制造费用并提高生产率[2]。随着科学技术的发展，传统的手工装配方式已经转变为数字化、集成化、自动化装配模式。良好的装配方案可以让制造费用降低20%―40%同时生产率提高100%―200%，大大提高生产效率，降低生产成本，已经成为飞机制造行业的热点[3]。随着航空产品复杂性的提高和装配方式数字化转型，航空企业对于学生的知识水平及实践能力的要求也在不断提升[4]。建立飞机装配虚拟仿真实验是训练学生动手能力、了解先进装配工艺最有效的途径。由于飞机所涉及的零件结构复杂、刚度低、系统复杂[5]，所以教学难以配备硬件实验条件及软件实验系统[6]。

传统教学注重理论知识的讲述，多数学生缺乏实际操作训练，且对于实际操作的知识严重匮乏，不能满足企业以及国家对飞机制造专业人才的需求。对于飞机机翼装配方面的教学，更是由于缺乏环境和资源、资金极其昂贵、周期长等问题而使该专业领域的教学处于严重落后阶段。因此飞行器制造领域的教学亟待改革。

1.2飞机装配虚拟仿真实验的建设意义

根据飞行器制造工程专业培养方案和现代飞机装配技术的智能化、数字化的特点，以飞机机翼装配的教学为目标建设虚拟仿真试验系统，可以为飞机结构与装配课程提供实验平台，弥补当前实验软、硬件资源不足等问题。在提高动手能力和创新能力的同时，让学生快速掌握现代飞机的先进装配技术和装配技能，满足了国家创新驱动发展的战略需求，弥补了该专业虚拟模拟实验方面的空白，對飞行器制造工程专业领域教学的改革创新具有重大战略意义。

2飞机机翼数字化装配虚拟仿真实验介绍

2.1创新实验思路

按照系统化设想，以机翼零部件为起点，以飞机机翼的整体装配为目标，按知识体系结构，由机翼结构认知→蒙皮成形过程→蒙皮去应力热处理→机翼数字化装配→钻孔参数计算→蒙皮自动钻铆来构成一个整体的机翼装配实验体系，通过交互式仿真手段，将飞机机翼的装配及过程完整呈现。该体系涵盖了“飞机钣金成型工艺”“飞机构造学”“飞机装配工艺学”等专业课程，梳理出“机翼结构认知”“蒙皮成形工艺”“机翼数字化装配实验”三个典型的探究性实验模块，涵盖12大类别的知识点。三个模块互为依托，分别阐述“包含哪些零部件”“零部件怎么制造”“零部件怎么装配”三个基本问题，使学生系统地掌握机翼基本结构组成、主流先进装配技术原理、工艺设计方法、实验分析方法，并以飞机机翼零部件作为主线贯穿整个过程。附带工艺过程动态图和对学生专业知识的拓展性考查，从而使学生系统地掌握主流先进装配技术原理、工艺设计方法、实验分析方法。学生可通过交互式、探究式学习，掌握钣金类产品零部件的加工工艺、制造过程及熟悉相关设备的安全操作，具体规划如下：项目根据飞行器制造工程专业培养方案和飞机装配技术的特点，按照体系化设想，以主机厂实际应用需求为驱动，以飞机机翼零部件为主线，以实现飞机机翼装配虚拟仿真为目标，根据知识结构，建立机翼结构认知→蒙皮成形→机翼数字化装配→蒙皮自动钻铆实验体系，该体系囊括了“飞机装配工艺学”“飞机构造学”“飞机钣金成型工艺”“成型工艺及模具设计”等专业核心课程，并对学生进行了工程识图、安全教育、加工工艺、设备操作、装配检验等方面的教育实践。

此外，整个实验过程体现了“任务分配个性化”“实验过程开放性”“知识体系多元化”等特点。实验以培养实践能力为导向，以期提高飞机装配领域的人才培养质量，使学生快速掌握现代飞行器的装配技术和装配技能，让学生走上岗位后能尽快适应航空制造企业的要求[7]。

2.2创新实验过程

该实验模拟分为三大模块，从认识机翼的结构到机翼的制造再到机翼零件的装配，是从理论知识的学习到零件工艺的学习再到模拟操作装配出整个机翼的流程。中间也不乏零件的三维静态图、对工艺过程的动态展示、对飞机制造业发展现状以及对专业知识的拓展考查。根据工艺要求分别选择坯料材质及尺寸、成形方式、工艺参数等，展示应力云图并进行去应力退火操作，最后出现有限元模拟结果并进入机翼数字化装配实验模块，实验结果会根据操作过程进行评分。

3虚拟仿真实验的“两性一度”

对于教学的改革与创新，重点在于改革后的教学是否能整合知识，培养学生的能力；是否包含创新点，教学形式是否新颖；是否注重学习过程并且是否对教学具有较高要求。也即应该具备高阶性、创新性和挑战度。

3.1虚拟仿真实验的高阶性

从总体上看，飞机机翼数字化装配虚拟仿真实验分为三个模块，从机翼结构基础知识的学习到最终操作装配机翼，涵盖了整个机翼制造及装配过程，且实验流程十分清晰。每个模块既包含对零件的三维建模，工艺过程的三维动态流程图又包含了对现代飞机相关专业实践知识的考查，在实验过程中学生不仅学习了专业知识，并且在实验中设置了多种任务以及多种不同的实验材料和设备，具有较强的自主选择性，由学生自主做出判断和操作，而且系统可根据不同的操作生成不同的实验结果。比如在蒙皮成形模拟过程中，学生可自主选择不同的蒙皮坯料和加工方式，尤其是选择不同的热处理温度和时长会产生不同的残余应力分布结果，使学生在实验过程中深刻体会到不同的操作方式对实验结果的影响，在实验过程中实现知识、技能和专业素质有机结合，在自主实验的过程中培养学生解决复杂问题的综合能力和独立思考的能力，具有较强的高阶性。

3.2实验的创新性

首先在每个模块实验开始前都有若干思政题，比如我国现阶段飞机研制所取得的成就等，这些问题比较前沿并且是当今时代飞行器的热点，具有时代性，不仅能向学生普及飞行器的基础知识，还能通过有趣的问题激发学生的学习兴趣。其次，实验通过人机交互技术丰富了实验内容，学生自主动手进行实验和对问题进行深入思考，这种创新性的方法极大地提升了学习效率。简单的人机交互使学生快速认识机翼的结构组成，对工艺过程顺序的选择可以让学生自主思考工艺流程及原理；较为复杂的人机交互，系统会根据选择进行反馈，显示出不同的工艺过程动画和不同的应力云图，而且在拉形后还设置了去应力热处理工序，并通过云图应力变化十分形象地展现了退火对消除内应力的作用，不仅使知识方便理解而且引导学生进行深入思考，除此以外在实验过程还包括对计算和识图能力的提升。

最后，在机翼装配模块中实验零件库中包括数种不同类型的翼梁、翼肋、桁条以及其他零件的组合，可以根据题目中不同受载情况运用机翼零部件认知实验中的知识选择合适的组合。零部件组合选择完成后在型架库中选择对应的机翼骨架装配型架，并进行零件的基准选择、定位和装配，且激光定位，移动，夹紧工架等步骤均由学生自主完成。在实验进行过程中学生能够真实地体验数字化机翼装配的整个过程，实验中运用了激光定位器、柔性型架、自动钻铆机等实验仪器，能够让学生更加深刻认识和理解现代飞机装配的技术。总体来说，该虚拟实验利用了三维动画技术和人机交互技术等创新性的技术向学生描绘了真实实验中的各项工艺过程，不仅比传统教学方式的效率更高，而且能够带给学生认知和专业能力的提升，以极其新颖的创新方式深化飞行器制造工程专业的教学改革，使教学形式体现先进性和互动性，使教学结果具有探究性和个性化，创新性非常强。

3.3实验的挑战度

由于实验需要体现出机翼数字化装配的具体过程，需要尽可能地去近似模拟真实实验的情景和过程，包含对机翼结构的三维建模，对蒙皮应力的有限元分析，对拉形和热处理的动画建模，需要充分熟練运用三维建模软件和有限元软件，特别是对机翼数字化装配模块的建模，更是需要对机翼先进数字化装配过程的充分了解。这些不仅需要开发者具有扎实的基础飞行器制造知识、强大的实践操作能力和丰富的经验，而且对于每一模块最后的拓展题来说，老师和学生必须具备扎实的专业知识才能理解这些拓展题背后的基本原理。此外，如何对该模拟实验进一步优化，丰富其中的内容，优化使用者的体验或者引入更新型的教学方式，这些仍需进一步探索，并且需投入更多的人力财力，这些对开发者和使用者都提出了较高的要求，足以体现该实验具有较高的挑战度。

4总结

习近平总书记指出：“教育是人类传承文明和知识、培养年轻一代、创造美好生活的根本途径”[8]。我校针对飞行器制造工程专业的教学弊端提出的具有较强创新性和挑战性的教学改革方式——通过三维建模和人机交互来仿真模拟机翼数字化装配实验，取得了优秀的教学效果，深化了教学改革，弥补了飞行器制造领域的教学资源匮乏的问题，对飞行器制造专业的教学改革起到了抛砖引玉的作用，并引导学生独立思考，主动提升动手能力，使学生充分投入到模拟实验中去。该虚拟仿真实验是效果显著且成功的有关飞行器制造工程专业的教学改革。

*通讯作者：赵熹

基金项目：2022年度山西省高度学校教学改革创新项目“‘飞机机翼数字化装配虚拟仿真实验国家一流课程建设“（J20220618）；2021年度教育部协同育人项目“‘成形工艺及模具线上、线下混合式教学课程建设”（202102039010）；2021年度国家一流专业建设背景下飞机装配虚拟仿真实验教学研究（202102326002）。

参考文献

[1]陈文亮，安鲁陵.飞行器制造技术基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014：150.

[2]潘洋宇，王拴虎，龚光荣.计算机辅助装配工艺设计关键技术研究[J].机械，2003（2）：52-55.

[3]许国康.大型飞机自动化装配技术[J].航空学报，2008（3）：734-740.

[4]闫光荣，程伟，宁涛.高校飞行器制造工程专业的综合实验课程教学研究[J].图学学报，2012，33（4）：147-150.

[5]李静洪，唐高虎，田刚，等.基于DELMIA的短舱结构虚拟装配过程仿真[J].机电一体化，2013，19（11）：52-55.

[6]刘长青，李迎光，郝小忠.飞行器制造工程专业航空特色教学案例设计[J].高教学刊，2016（20）：60-61，64.

[7]赵熹，陈凯，郭拉凤，等.飞行器制造工程机翼装配虚拟仿真试验[J].教育教学论坛，2021（12）：65-68.

[8]习近平.习近平谈治国理政[M].北京：外文出版社，2014：191.