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）
［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
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（VirtualReality，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Unity3D、Vega和Virtools等，三维模