本实验主要培养适应我国航空制造产业发展需求的具有飞机结构及系统预防性检查、维修与维护、设备控制、生产组织管理的基本能力和创新能力,本实验坚持“学生中心,问题导向,创新实践”的理念,按照“虚实结合,以虚补实”的原则,以涡喷-6发动机为实验对象,以虚拟现实、3D建模与仿真、3D动画等技术为手段,真实呈现工程实际中航空发动机的构造、拆装顺序、运行技术参数等核心技术和关键要素,系统人机交互界面友好,运行维护方便,拥有多项知识产权,其中授权计算机软件著作权1项,申请发明专利2项。
1.实验教学的必要性
1)基于实验对象与场地的特殊性。由于航空发动机智能化拆装涉及到大面积的拆装场地(一般要几百平米以上),并且发动机造价昂贵(一般单价要200多万元/台),需要复杂结构件和多人协作装配等因素,学生难以以昂贵多台套的航空发动机作为实验对象进行反复拆装实践。
2)基于实验设备与流程的完整性。正确规划航空发动机拆装工艺过程并进行发动机创新实践是实施发动机拆装的关键环节,而现实中学生需要操作实验仪器设备进行航空发动机拆装,调整优化装配工艺过程,完成发动机创新实践的资源设备稀少,且装配实验过程离散,缺乏系统化和完整性;同时,受专业设置广度,研究水平和技术条件限制,使发动机拆装实验资源稀缺和共享程度低。
3)基于实验环境匮乏。学生专业化智能化拆装能力获得需要在真实或类似真实的环境中进行大量实验,目前高校采用的航空发动机实物教学多以静态参观外部结构为主,难以展示其复杂的内部结构特征。受场地、时间、成本、环境以及安全隐患等因素的制约,发动机供油角度实验数据分析处理及检测发动机性能需要先进技术处理手段,航空企业拆装车间的生产管理机制与学校拆装实验的资源条件,在数量和质量上无法满足学生批量实验数据分析的要求。
2.实验教学的实用性
本实验综合性强,极大地提升了专业知识学习的系统性,拓展了课堂教学内容,强化了验证手段,对培养适应我国航空制造产业发展的人才意义突出,体现了建设的高阶性。涡喷-6发动机是我国现役研发的较先进机型,学生们学习完《航空发动机构造》理论课程后,进行智能化发动机拆装仿真实验是理论联系实际的实践创新,体现了创新性。学生选定开放性任务,限时完成,过程考核与结果考核相结合;老师提供在线指导,及时反馈,对老师和学生都是不小的挑战。
通过本实验课的学习,能够使学生在掌握飞机发动机结构、设备维修、故障分析与工程实践所需的各种技术和技能等方面能进行全流程、全要素的训练,使得所学的理论知识能入脑入心,体验学为所用、知行合一。通过本实验训练,提升学生掌握知识的系统性和完整性,潜移默化地培养他们大国工匠精神。
3.教学设计的合理性
本实验以学生为中心,课程构建了“体验-探究-应用”三层次递进式的实验。本实验瞄准核心问题,遵循认知规律和巧妙构思实验,符合本专业人才培养目标的要求,体现教学设计的合理性。
瞄准核心问题:涡喷-6发动机拆卸,涡喷-6发动机装配调姿,发动机创新实践。
遵循认知规律:简单 复杂,零件 整机,平面 空间。
巧妙构思实验:“源于生活”体验模块,“规律研究”探究模块,“工程实践”应用模块。
4.实验系统的先进性
首先,理念先进。该实验选择了飞机发动机作为智能化装配实践的对象,考虑了从涡喷-6发动机结构拆装认知开始,到发动机创新实践的全过程。在装配理念上,采用虚实结合,以虚补实,理实融合,递进式提升的教学理念。
其次,技术先进。本实验创建了以真实智能化装配车间为参照的虚拟场景,运用三维建模,动画和人机交互等先进技术手段,高度仿真了发动机部件,装配型架,多功能机械臂,激光跟踪仪等数字化装配设施及其空间布局和运动形式,使实验场景和实验过程更加直观形象,技术上把三维建模,动画和人机交互等先进技术手段进行了集成与融合,采用“过程控制”精细化的教学模式。
最后,虚拟现实与在线仿真。虚拟仿真技术利用计算机创建一个具有视、听、触等多种感官刺激的三维虚拟情景,通过创造出的虚拟场景,实现仿真的体验和通畅的人机交互,调动学生学习的积极性和主动性,基于虚拟现实(virtual reality,VR)技术的实验教学通过可视化技术和手段再现真实情景的实验教学方式,它具备很强的立体视觉沉浸感,还具备能够与三维可视化场景进行交互的能力,这种深度交互功能可以适度地消除学生对虚拟现实存在性的怀疑,使学生在视觉、听觉和触觉等多种传感渠道的共同促发作用下,与虚拟的实验世界进行自然交互.虚拟实验教学系统将计算机技术与教育教学手段相结合,通过强大的人机交互功能,把系统计算操作者“动作”所产生的数字信息转变为可视化的图像和图形,并随这空间和实践的变化而变化;同时把信息反馈给操作人员,进行互动和交流。
实验原理:
本实验以涡喷-6发动机拆装为实验对象,选取装配流程上的发动机拆卸和发动机装配两大典型拆装工序作为本实验主要内容,同时包括发动机创新实践虚拟仿真实验内容,整理成航空发动机智能化拆装和发动机创新实践两个实验模块。
①发动机拆装实验原理
涡喷-6发动机是典型单转子加力式涡轮喷气发动机。进气口环形,进气锥通过4个整流支板与前机匣相连。采用9级轴流式压气机,在第5和第6级之间有放气口,防止喘振的发生。第1级转子叶片为跨音速设计;环管式燃烧室设计,有10个全气膜冷却火焰筒,筒壁用7段气膜冷却;2级轴流式涡轮,第1级导向器叶片为气冷,其余叶片均不冷却;加力燃烧室由扩压器、“V”型火焰稳定器、预燃室、燃油总管和直流喷油杆组成;简单收敛式尾喷管。学生首先从发动机风扇整体叶盘拆卸开始,按照正确拆装顺序直至拆完燃烧室壳体完成整个发动机拆卸,正确拆卸完成后进行发动机装配,同时通过计算工艺参数,分析装配工艺,熟悉工艺参数对装配质量的影响,进一步改进装配工艺以获得较高的装配质量,实现装配工艺知识的巩固,工艺设计和分析能力的提高。
②发动机创新实践实验原理
发动机创新实践实验是在给定大气条件(飞行高度和飞行马赫数)下,涡扇发动机的状态由给定参考输入(油门操纵杆角度)确定。在稳态和过渡态工作过程中,随着油门操纵杆角度的增加,供油量(燃油流量)随之增加,从而使得涡扇发动机各特征截面参数发生相应变化,例如压气机出口总压、涡轮后燃气总温、发动机推力和耗油率等。
根据实际测试数据,将航空发动机的油门杆角度与响应参数(推力、低压压气机压力、高压出口总压力、涡轮后压力、 滑油压力、燃油流量、高压转子转速、涡轮后总温及滑油温度)值代入MATLAB程序计算,可获得油门杆角度与发动机对应参数之间关系的拟合曲线,通过与实测参数特性进行比较,验证测试数据的正确性。
1.实验内容:
1)实验场景及设备的认知,让学生掌握实验设备的使用性能和要求;
2)发动机部件认知,理解数字化装配的含义,原理与系统组成;
3)发动机部件正确拆卸顺序,掌握飞机部件数字化装配的工艺方法;
4)发动机正确装配顺序,能够根据不同装配对象选择合适的装配部件及参数;
5)发动机创新实践(试车测试),能够对装配质量异常现象进行分析,根据实验数据和参考曲线画图,深刻理解航空发动机油门开度与相关参数之间的关系。实验主要内容模块.
实验知识点:共 6 个
1)涡喷-6发动机结构和发动机创新实践(试车)的认知布局;
2)发动机装配原理和创新实践测试的关键技术﹑装配路线及测试方法;
3)所拆发动机零部件的构造、连接特点、所处位置以及邻近部件的相互关系;
4)发动机装配路线及各零部件之间的装配关系,重要零部件装配参数影响因素;
5)涡喷-6发动机拆卸和装配质量检测方法及改进措施;
6)航空发动机油门开度与相关参数之间的关系及关键部件的运动轨迹分析。
2.实验步骤:
1)实验场景认知
2)实验设备认知
3)发动机部件认知
4)实验基本理论学习
5)发动机基本理论知识测试
6)发动机部件拆卸
7)发动机部件装配
8)发动机拆卸探索
9)打开加油角度开关,调整加油角度20度
10)调整加油角度40度
11)调整加油角度60度
12)调整加油角度80度
13)调整加油角度100度
14)调整加油角度110度,然后按依次返回到0度
15)填写实验报告,实验完成