飞行器制造工程机翼装配虚拟仿真试验

              赵 熹，陈凯，郭拉风，关世玺，喻明让  

（中北大学机电工程学院，山西 太原 030051）

[摘要]：为使学生快速掌握现代飞行器的装配技术和装配技能，解决飞机装配实验对象特殊、资源稀缺、环境匮乏和周期长等问题，采用3D建模、动画、人机交互等技术研发了本实验教学项目。将基于飞机数字化现代装配技术融入实验教学项目，建立机翼结构认知→认知考核→蒙皮热成形工艺→成形质量评价→机翼数字化装配→蒙皮自动钻铆全流程的实验方案，重视基础知识考查的基础上设置能力提升模块，体现创新意识培养，让学生在沉浸式认知、交互式学习、体验式操作、探索式改进中提升装配工艺规划能力与综合创新能力。

[关键词]：飞行器制造工程；机翼装配装配；虚拟仿真实验

[基金项目]：“2019年度虚拟仿真实验教学项目”、“中北大学本科教育教学改革项目”、“山西省研究生教育改革研究课题”

[作者简介]：赵熹，1983，男，汉，河北省饶阳县，工学博士，中北大学机电工程学院，轻合金塑性成形；关世玺，1967.7，男，汉，山西大同，工学硕士，中北大学机电工程学院，机械制造及其自动化

一、专业教学现状及建设机翼装配虚拟仿真实验的意义

1.先进装配技术的重要性

产品装配的合理性直接影响产品的使用性能和寿命^[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%，同时生产率提高了100%—200%，飞机数字化装配，提高了生产效率，降低了生产成本，已经成为行业热点^[3]。

2.专业现有教学现状

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、了解先进装配工艺的最有效途径。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]。目前专业教学存在飞机结构与装配课程设计内容不充实的问题。

3.建设虚拟仿真实验系统的意义

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，以飞机机翼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设计提供实验平台，弥补当前实验软硬件不足的问题。提高动手能力的同时，使学生快速掌握现代飞机的先进装配技术和装配技能、了解最新的装配技术，让学生走上岗位后能尽快适应航空制造企业的要求。

二、研究思路

按照体系化设想，以飞机零部件为主线，以飞机机翼为目标，根据知识结构，由机翼结构认知→蒙皮成形→机翼数字化装配→蒙皮自动钻铆，构成一个飞机机翼装配的实验体系。该体系涵盖了《飞机装配工艺学》、《飞机构造学》、《飞机钣金成型工艺》等专业核心课程，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，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。

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。其中“知识体系多元化”在重视基础知识考查的基础上设置能力提升问题，考察知识点具有体系性且涵盖范围广。“实验过程开放性”在试验过程中，试验随着不同的过程操作而模拟得到不同的结果，不再设置“标准答案”，体现了创新意识的培养。“任务分配个性化”使该实验项目以学生为中心，任务发布做到“一人一题”。实验以培养实践能力为导向，以期提高学生在该飞机0装配领域的培养质量，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。

三、实验流程设计

实验流程如图1所示，使用学号登录系统并阅读实验原理与操作指南后进入机翼结构认知实验模块，学习各零部件功用后对学习情况进行考察，考察完毕后进入蒙皮成形工艺实验模块。根据系统要求与提示分别确定坯料材质及尺寸、成形设备、工艺参数等，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。首先在零件库内选取符合任务要求的零部件组合，在工装库中选择骨架装配型架并进行骨架装配，骨架装配完成后选择蒙皮装配型架并对蒙皮进行自动钻铆，至此完成全部实验任务，提交结果后完成实验。

图1 实验流程图

四、实验内容

1.机翼结构认知实验

目标机翼选择为在结构上具有普遍性的单梁式机翼，零件组成包括翼梁、纵墙、桁条、翼肋、蒙皮，此外还包括襟翼和副翼两个部件。通过机翼零部件爆炸图对各零部件所在位置进行展示并对其名称、受力、功能进行说明。本实验的目的是让学生对单梁式机翼内部的零部件功能及位置进行了解，并了解机翼内部载荷的传递路线。

2.蒙皮成形工艺

系统给定目标蒙皮的尺寸、服役条件后，首先对坯料材质、尺寸进行选择，然后根据工艺方法选择加工设备，通过题目给出的已知材料属性选择合理的加工温度、下压速率等工艺参数。使用有限元模拟软件对加工过程进行模拟并通过模拟的加载力曲线选择加工设备吨位等级，如图2所示最后通过有限元模拟的应变图对不同工艺参数下应变的大小及均匀性进行考量，据此评定所选工艺参数的优劣。

图2 有限元模拟应变图

3.机翼数字化装配实验

（1）零部件组合选择及装配

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并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。

本实验的目的是让学生进一步了解各零部件的功用，学会梁式机翼骨架的装配顺序以及装配过程中的基准选择、定位方法，通过实验了解内定位的特点。

（2）柔性化骨架装配型架

装配型架是保证飞机装配质量的关键，通常飞机装配型架制造加工工作量占整机工装

的50%左右，且约占整机工作量40%以上的飞机装配工作是依靠装配型架来完成的^[7]。基于低成本、通用性、高效率的考虑，实验运用了柔性化的装配型架。如图3，装配型架由一个整体的装配平台和上面若干个分散的由螺栓进行连接的立柱组成，可以随时改变立柱的位置。零件定位方式采用内定位，骨架各零部件以工艺孔为定位基准，通过定位销固定在型架上的特定点，相较于传统的外卡板定位骨架方法具有成本低、精度高、效率高等优点^[8]。

图3骨架柔性化装配型架

（3）蒙皮装配型架及蒙皮自动钻铆

蒙皮装配型架依然采用柔性化设计，通过骨架装配型架进行简单调整就可以变为蒙皮装配型架。蒙皮定位方式采用外卡板进行定位，外卡板通过连接接头和螺栓固定在立柱卡槽上，所有立柱的卡槽统一，均可以实现互换性。定位完成后自动钻铆机通过预先编订程序进行铆接。铆接定位装配过程如图4。通过实验可以掌握蒙皮装配的基本步骤及使用外卡板进行定位的方法，初步了解自动钻铆机的运作方式。

图4 蒙皮铆接装配及外卡板定位示意图

五、总结

针对高校现有飞行器制造工程专业的不足，文章中提出了一种“机翼结构认知”、“蒙皮成形工艺”、“机翼数字化装配”三个实验模块的机翼装配虚拟仿真试验，涵盖了《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》等专业核心课程知识，弥补了专业当前实验条件的不足。通过本实验可以提高学生的动手能力，快速掌握现代飞机的先进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需求。

参考文献：

[1]毕利文,唐晓东,杨红宇.飞机数字化装配工艺仿真技术[J].航空制造技术,2008(20):48-50.

[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(02):52-55.

[3]许国康.大型飞机自动化装配技术[J].航空学报,2008(03):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(04):147-150.

[5]李静洪,唐高虎,田刚,丁建红,缪新.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]曹增强.国外大型飞机装配型架设计的新方法[J].航空制造技术,2006(02):60-61.

[8]邵宗科,殷东平,杜雄尧.无人机机翼装配型架设计[J].电子机械工程,2015,31(02):22-25.

Virtual Simulation of Wing Assembly in Aircraft Manufacturing Engineering

 Zhao Xi, Chen Kai, Guo Lafeng, Guan Shixi, Yu Ming Jean

(College of Mechanical and Electrical Engineering, North China University, Taiyuan 030051, Shanxi)

 Absrtact: in order to make students master the assembly technology and assembly skills of modern aircraft quickly and solve the problems of special object, scarce resources, lack of environment and long period of aircraft assembly experiment, this experimental teaching project has been developed by using 3 D modeling, animation, human-computer interaction and other technologies. To integrate modern aircraft digital assembly technology into the experimental teaching project, to establish the wing structure cognition → cognitive assessment → skin heat forming process → forming quality evaluation → wing digital assembly → skin automatic drilling and riveting whole process experimental scheme, attach importance to the basic knowledge examination, set up the ability enhancement module, reflect the innovation consciousness cultivation, let the students in immersive cognition  , interactive learning, experiential operation, exploration improvement to enhance assembly process planning ability and comprehensive innovation ability.

Keywords: aircraft manufacturing engineering; wing assembly; virtual simulation experiment