基于虚拟仿真数字飞机的飞机系统类课程教学改革研究

2022-09-11

一、引言

在CDIO工程教育模式基本理念指导下, 飞行器制造工程本科专业的培养计划主要围绕着飞机维修与制造方面开展, 有很多课程涉及到飞机机械类系统, 如飞机液压与燃油系统、飞机操纵与起落架系统、飞机空调系统等[1], 每一类系统同时又包含了各种典型分系统。当把各分系统的工作原理与具体某种机型相结合时, 无论在分系统零部件组成还是工作模式方面, 均会突显出其典型分系统工作原理的复杂性。为了以更加丰富的视角呈现出相应典型分系统的工作原理, 虚拟仿真数字飞机[2,3,4]的应用是一种非常直观有效的教学手段。考虑飞行器制造工程专业的培养方向, 课程教学与实际工程实践[5]的结合尤为重要, 将民航现阶段最先进飞机分系统维护及排故技术融入虚拟数字飞机, 可以在现有虚拟仿真平台的基础上实现功能拓展, 结合学生课下自主学习, 从而获得良好的飞机系统类课程教学效果。

二、虚拟仿真教学对机务维修的意义

考虑到飞机系统类课程大多针对机务维修类专业开设, 在国内机务维修人员中航空机械专业人员占总维修人员比例约百分之八十, 是从事人数最多的一个维修专业方向, 因此对飞机机械系统类课程教学也提出了更高的要求。机务维修类专业学生对于飞机系统的学习和理解直接影响着毕业后实际工作过程中的维修及排故效率, 而虚拟仿真教学的引入能够以最低的成本将国内先进型号的民用飞机典型分系统工作原理进行还原, 直接通过虚拟仿真模拟再现学生将来实际工作中可能遇到的故障问题。以虚拟仿真数字飞机为基础搭建的虚拟仿真教学平台, 不但能够在课堂上辅助教师讲解相关分系统的复杂工作原理, 也可借助于网络使学生在课下开展自主学习, 更为直观地认知飞机有关系统的详细构成、工作方式以及排故方法。基于虚拟仿真数字飞机的教学模式能将工程实践对接到课堂讲授, 与学生将来的工作内容密切相连, 激发学生的学习主动性, 对提高课堂教学效果具有重要意义。

三、飞机系统类课程教学改革实施方法研究

飞机系统类课程包含了飞机上最主要的分系统, 且分系统种类全面, 课堂教学内容涵盖的知识面较广。现有专业培养计划中设定课程包括如“飞机液压与燃油”、“飞机操纵与起落架”以及“飞机空调与机舱设备”等, 课程之间既有独立的知识体系, 也相互关联、相互支撑。而这些系统类课程都可以借助于虚拟仿真方法实现教学内容的清晰化、立体化, 因此, 有必要进一步探索针对飞机系统类课程的虚拟仿真教学实施方法。

(一) 创建基于虚拟仿真数字飞机的教学内容

以典型民用飞机 (如国内现阶段主流机型A320及B737NG等) 为目标对象, 借助于三维飞机设计软件 (如CATIA、DELMIA、LMS Virtual.Lab) 构建虚拟仿真数字飞机, 并以此为基础平台将飞机各系统课程内容融入三维飞机模型。从宏观上参考实际飞机尺寸数据中飞机系统位置设计模型, 能够在目标虚拟仿真数字飞机上清楚实现各分系统定位, 从局部上对各系统所包含分系统进行零部件级别建模, 从而使学生可以从不同视角进行飞机分系统学习。然后将已建立模型导入相应的动画渲染软件 (如3DVIA) 中进行工作原理动画仿真, 形成虚拟仿真教学所需的典型民用飞机分系统教学内容。

(二) 设计新颖高效的教学模式

由于目标机型各分系统三维数值模型从建立到完成需要的时间长、工作量大, 故可根据所选取机型的设计特点, 对涉及到的典型分系统进行分类, 建立由飞机到系统再到附件的子父级关系, 并将所建立虚拟仿真教学内容嵌入到学校网络教学平台。一方面, 教师在课堂教学过程中能够直接调取虚拟仿真教学资源, 便于灵活地切换不同机型分系统进行其工作原理及常见问题讲解。另一方面, 学生在课下也能够借助网络平台开展自主学习, 并将课下学习效果及遇到的问题在平台内及时反馈给任课教师。在此基础上, 教师能够根据学生对飞机分系统的学习情况调整和补充课堂教学内容, 形成良性循环。同时, 可结合虚拟仿真教学平台开设出新的“飞机系统课程设计”内容, 学生通过课程设计创建出新的分系统模型及工作动画仿真, 也可在往届学生所建立模型的基础上进行工作优化和深入开发, 以学习梯队的方式不断更新虚拟仿真教学平台的内容, 从而使学生在动手建立虚拟仿真数字模型的过程中得到锻炼, 深化对飞机系统知识的学习。

(三) 开展飞机典型系统故障诊断与虚拟维修的模拟教学

在基于虚拟仿真数字飞机的教学平台基础上, 针对具体的飞机系统可将调研获取的航空维修中该系统常见故障及维修过程进行虚拟再现, 以B737NG飞机空调系统为例, 可针对制冷系统中典型附件涡轮冷却器 (ACM) 故障现象的识别、故障隔离及排除等相应工作进行模拟, 仿真过程参考对应型号的飞机维修手册 (AMM) 和故障隔离手册 (FIM) 等技术资料。让学生在学习各分系统工作原理的同时, 直观接触以后实际工作中会遇到的典型故障问题, 并从虚拟仿真的视角学习相应的故障诊断方式及维修流程, 能够提高机务类专业毕业生工作后的维修排故水平和对飞机系统的理解熟悉程度。另外, 采用虚拟仿真教学与实际排故维修工作内容相结合, 可以使学生更加明确各分系统的主要学习目的, 提高课程学习兴趣, 从而实现应用型、复合型、技能型人才的总体培养规划。

四、结语

综上, 将虚拟仿真数字飞机应用于飞行器制造工程飞机系统类专业课程教学, 通过实践表明能够很好地调动学生课堂及课下的学习兴趣, 充分提高了课程教学效果。飞机典型系统的虚拟仿真教学内容应随着先进机型及维修技术的革新而不断补充完善, 仍需要不断地努力来优化虚拟仿真教学平台内容。此外, 虚拟仿真与飞机系统维修排故相结合, 将工程实践内容搬到课堂教学, 使飞机系统理论教学与学生毕业后所从事机务实际维修工作紧密连接, 为培养符合民航工程需求的机务维修人才提供了重要基础。

摘要：考虑到我校飞行器制造工程专业所设置的飞机系统类课程中包含大量的典型分系统, 然而在现有的教学资源基础上很多具体分系统工作原理难以直观清晰地展现出来。本文提出采用虚拟仿真数字飞机的方法, 以全新视角将具体机型重要机械类分系统 (如飞机液压系统、飞机燃油系统、飞机起落架系统、飞行操纵系统及飞机空调系统等) 的工作原理进行仿真再现, 并结合各分系统最先进的维修技术及排故技术, 开展飞机系统类课程教学改革研究。

关键词：虚拟仿真,数字飞机,飞机系统,维修排故