基于虛擬仿真技術(shù)的航空發(fā)動機油封模擬系統(tǒng)

摘 要:我軍航空發(fā)動機油封工作中存在的問題阻礙了航空發(fā)動機油封技術(shù)的訓(xùn)練。為解決該問題，開發(fā)了一套航空發(fā)動機油封模擬系統(tǒng)。它利用虛擬仿真技術(shù)模擬航空發(fā)動機油封操作過程，是一種集油封虛擬訓(xùn)練和考核評價于一體、經(jīng)濟實用的現(xiàn)代化教學(xué)手段。根據(jù)航空發(fā)動機油封操作規(guī)程，系統(tǒng)功能設(shè)計包括引導(dǎo)提示、油封仿真、考核評價三個模塊，油封仿真是核心，它包括視景仿真、運動仿真、音響仿真、操作仿真四個子功能，能夠提供等同于實操，甚至更好的訓(xùn)練效果，具有重大的經(jīng)濟效益和軍事效益。

關(guān)鍵詞:油封仿真; 航空發(fā)動機; 虛擬仿真技術(shù); 軍事效率

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)08-0067-03

Simulation System for Aero Engine Oil Seal Based on Virtual Simulation Technology

GUO Feng， WU Shao-jun， ZHOU Bin， GAO Wei

(Navy Aeronautical Engineering Institue Qingdao Branch， Qingdao 266041， China)

Abstract:The work of military aero-engine oil seal exists the problem that hinders the training of aero-engine oil seal technology. The solution is to develop a set of aero-engine oil seal simulation system， which uses virtual simulation technology to simulate the operating process of aero-engine oil seal， and is a integration of oil seal simulative training and the appraisal， as well as economic and practical modern teaching methods. According to aero-engine oil seal operational procedures， system function design includes three modules such as guiding tips， seal simulation and assessment. The seal simulation is the core， which includes four sub-functions such as visual simulation，motion simulation，sound simulation， operation simulation， can provide equivalent or better training results， and has great economic and military benefits. The system′s innovation is the application of the virtual simulation technology in aero-engine oil seal′s training.

Key words:oil seal; aero-engine; virtual simulation technology; military benefit

0 引 言

目前虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于自動控制、醫(yī)療康復(fù)、教育娛樂、維修訓(xùn)練、軍事訓(xùn)練等各個領(lǐng)域[1-4]。虛擬本質(zhì)是客觀事物在計算機上的一種仿真實現(xiàn)，是一種由計算機全部或部分生成的多維感覺環(huán)境，通過特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進入虛擬空間，感知和實時操作虛擬世界中的各種對象，使參與者有身臨其境的感覺，能體驗、接受和認識客觀世界中的客觀事物。

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動機油封訓(xùn)練是當前我軍航空發(fā)動機油封工作的迫切需要。我軍航空發(fā)動機的油封設(shè)備多為20世紀80年代生產(chǎn)，可滿足老舊機種的油封工作。由于一些進口和國產(chǎn)的新機種逐漸成為我軍主戰(zhàn)機種，目前的油封設(shè)備已無法滿足其發(fā)動機油封的需要。另外，航空發(fā)動機油封技術(shù)含量高，操作規(guī)程復(fù)雜，油封設(shè)備操作較為嚴格，要求操作人員本身應(yīng)具有較強的責任心和專業(yè)的油封工作技術(shù)和經(jīng)驗。目前，我軍院校基本沒有開設(shè)相應(yīng)的油封專業(yè)學(xué)科，油封人才基本靠“師傅帶徒弟”的模式來培養(yǎng)，很難滿足目前航空發(fā)動機油封工作的實際需要。

這些問題嚴重影響了航空發(fā)動機油封技術(shù)的訓(xùn)練，而利用虛擬仿真技術(shù)能夠創(chuàng)建出真實感和沉浸感較強的航空發(fā)動機油封環(huán)境，為航空發(fā)動機油封工作提供油封虛擬訓(xùn)練，有助于提高油封人員的操作水平和操作技能。虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)成熟并廣泛應(yīng)用，因此開發(fā)一套航空發(fā)動機油封模擬系統(tǒng)已成為一種既經(jīng)濟又實用的解決方法。

1 開發(fā)工具

航空發(fā)動機油封模擬系統(tǒng)采用目前世界上廣泛使用的工業(yè)仿真軟件Creator，GL Studio，Vega Prime和Visual C++ 6.0進行開發(fā)[5-6]。

Creator是世界上領(lǐng)先的實時三維數(shù)據(jù)庫生成系統(tǒng)，可以用來對發(fā)動機、油封設(shè)備、倉庫等實物場景進行三維建模。油封設(shè)備的各種儀表是由GL Studio來建模的，并以可視化模型數(shù)據(jù)庫的形式生成OpenFlight(.flt)文件格式標準的層次視景數(shù)據(jù)庫。然后，OpenFlight文件再調(diào)入Vega Prime，成為實時仿真的一部分。

Vega Prime具有良好的圖形環(huán)境界面和完全面向?qū)ο蟮腃++語言應(yīng)用程序接口API，豐富的實用庫函數(shù)及大量的功能模塊可滿足拆卸油管，控制油封設(shè)備進行油封等多種仿真要求[7-8]。

但是，Vega Prime本身不能實現(xiàn)人機交互，還需要用Visual C++ 6.0進行系統(tǒng)集成。該系統(tǒng)以Visual C++ 6.0為開發(fā)平臺，使用Vega Prime的函數(shù)庫，并通過復(fù)雜的編程，實現(xiàn)對虛擬場景、環(huán)境、運動的模擬仿真。

2 系統(tǒng)分析及設(shè)計

航空發(fā)動機油封模擬系統(tǒng)包括訓(xùn)練和考核兩種模式。訓(xùn)練模式的特點是系統(tǒng)需要具備操作引導(dǎo)和錯誤提示功能;考核模式的特點是系統(tǒng)需要具備評價功能。

為了滿足油封訓(xùn)練和考核的需要，航空發(fā)動機油封模擬系統(tǒng)設(shè)置了引導(dǎo)提示、油封仿真、考核評價三個功能模塊，如圖1所示。

圖1 航空發(fā)動機油封模擬系統(tǒng)功能模塊

其中，油封仿真又包括視景仿真、運動仿真、音響仿真、操作仿真四個子功能模塊。視景仿真、音響仿真是實現(xiàn)航空發(fā)動機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)沉浸感的重要因素;運動仿真、操作仿真是實現(xiàn)學(xué)員與虛擬油封設(shè)備和環(huán)境之間交互的主要手段;引導(dǎo)提示、考核評價是整個系統(tǒng)的必要組成部分[9]。

2.1 引導(dǎo)提示

引導(dǎo)提示功能用于在初次練習(xí)時進行操作引導(dǎo)，操作錯誤時進行判斷并提示。當操作熟練以后可取消引導(dǎo)或者提示再進行練習(xí)。

2.2 油封仿真

2.2.1 視景仿真

視景仿真是將航空發(fā)動機油封過程中實體建立數(shù)字化的模型，如道路、倉庫、油封車、電源車、發(fā)動機、油管和電纜、扳手等工具、各種油料、履歷本、包裝材料、油封專用車等。其中，發(fā)動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型對于油封模擬訓(xùn)練系統(tǒng)來說不需要建模，所以重點是建立發(fā)動機的外部結(jié)構(gòu)模型。發(fā)動機的外部結(jié)構(gòu)模型比較復(fù)雜，主要是建立各種開關(guān)和油封時需要連接油管、電纜的器材及其接頭帽蓋、鉛封的模型，其次是建立發(fā)動機及其外部附件的外形建模，細節(jié)部分要充分利用貼圖來進行建模。

建模時，采用通用模型庫的方法，為不同類型的組件設(shè)立相應(yīng)的模型庫，使模型的調(diào)用及管理更為方便。

2.2.2 運動仿真

運動仿真是進一步提高油封仿真系統(tǒng)逼真度的有效手段。它通過模擬油封操作中的運動和控制，逼真地模擬實際油封過程中的各種運動，如拿放和安裝油管、電纜，拆卸鉛封、螺蓋，控制油封車、電源車、發(fā)動機上的各種開關(guān)，吊裝發(fā)動機并安裝在專用車上，推動專用車并將其上的發(fā)動機噴口對準抽風(fēng)口，油封時滑油噴向抽風(fēng)口的過程，把舊滑油放出時的過程等。

另外，對于油封時的油壓、電壓等都有嚴格規(guī)定，因此需要模擬出油封車、電源車各種儀表指針的運動，以便于觀察油壓、電壓是否達到規(guī)定值或者規(guī)定范圍。

2.2.3 音響仿真

音響仿真是利用計算機多媒體技術(shù)，生成油封過程中的聲音信息，包括拆卸鉛封、螺蓋，控制油封車、電源車、發(fā)動機上的各種開關(guān)，吊裝發(fā)動機，推動專用車，發(fā)動機冷轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，打開油封車的調(diào)試開關(guān)時，發(fā)動機各電磁開關(guān)接通等動作發(fā)生時的聲音。

2.2.4 操作仿真

操作仿真用于真實地模擬航空發(fā)動機的油封過程。因為航空發(fā)動機油封工作中的每一步操作都必須嚴格按照油封操作規(guī)程執(zhí)行，所以操作仿真必須能夠模擬油封操作規(guī)程的各個環(huán)節(jié)。

航空發(fā)動機油封模擬系統(tǒng)是模擬航空發(fā)動機的重油封，其油封操作規(guī)程包括一般要求和注意事項、發(fā)動機的解封、油封前的準備、發(fā)動機的內(nèi)部油封、發(fā)動機外部清洗和油封、發(fā)動機的包裝和裝箱六個步驟，如圖2所示。

圖2 航空發(fā)動機油封操作規(guī)程圖

但是，航空發(fā)動機油封操作規(guī)程中不完全是操作，還有一般要求和注意事項等非操作性的內(nèi)容，因此在油封仿真系統(tǒng)中除了對具體操作進行仿真外，還需要在操作它的過程中對一般要求和注意事項，設(shè)置選擇、簡答等形式的問題，答對后再進行下一步驟的操作。

2.3 考核評價

考核評價是一個油封專家系統(tǒng)，由油封操作規(guī)則庫和考核評分規(guī)則庫兩部分構(gòu)成。油封操作規(guī)則庫是根據(jù)操作仿真模塊設(shè)定航空發(fā)動機油封過程中的各個操作環(huán)節(jié)制定的，考核評分規(guī)則庫是在油封操作規(guī)則庫的基礎(chǔ)上對油封操作進行量化，即為油封考核的評分標準。這兩種規(guī)則庫都保存在數(shù)據(jù)庫中，油封時將具體操作與規(guī)則庫進行比較，自動完成考核評價，如果是訓(xùn)練模式，則自動進行操作引導(dǎo)錯誤提示。

考核必須完全依據(jù)油封操作規(guī)程來制定評價標準，而且必須是惟一的評價標準，即正確完成所有操作的為合格，否則為不合格。這是因為如果操作過程中出現(xiàn)漏做、做錯或者順序顛倒，都是不合規(guī)定的，都可能釀成重大的事故，而相關(guān)人員還需要追究責任。因此，操作過程中的所有環(huán)節(jié)絕對不能出現(xiàn)上述失誤，而且必須完全正確。例如，某型航空發(fā)動機油封時起動發(fā)電機的接線座有“B”，“+”，“-”，“C”四個接頭，在連接油封車的起動電纜接頭時必須一一對應(yīng)，而且還要求起動發(fā)電機的“+”接頭不接線，如果接錯就可能造成幾十萬乃至幾百萬的損失。

根據(jù)考核評價的需要，系統(tǒng)要能夠記錄操作過程并可進行回放，作為考核的歷史記錄予以保存。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

航空發(fā)動機油封模擬系統(tǒng)主要用于裝備航空院校的航材油封專業(yè)，實現(xiàn)各種航空發(fā)動機油封的虛擬訓(xùn)練，具有重大的經(jīng)濟效益和軍事效益[10]。

在實際操作之前，通過航空發(fā)動機油封模擬系統(tǒng)進行虛擬訓(xùn)練，可對發(fā)動機油封工作獲得感性認識;進行基本動作的訓(xùn)練，可消除開始實操時的緊張和恐懼心理;進行油封虛擬訓(xùn)練，能正確模擬發(fā)動機油封操作，可以取代實操訓(xùn)練中的部分科目和內(nèi)容，而且取得比實操訓(xùn)練更好的效果;油封虛擬訓(xùn)練取代了傳統(tǒng)的人教人、師帶徒的落后教學(xué)方式，按統(tǒng)一規(guī)范要求學(xué)員，有利于油封培訓(xùn)的正規(guī)化、科學(xué)化和規(guī)范化;油封虛擬訓(xùn)練不受時間、場地、氣候的限制，無需耗費大量昂貴的油料和較多的人力資源，也可避免由于學(xué)員操作不當而損壞發(fā)動機及各種設(shè)備，經(jīng)濟效益顯著。另外，航空發(fā)動機油封模擬系統(tǒng)也可以用于航空發(fā)動機封存工藝的研究，為將來新機種裝備部隊的發(fā)動機油封工作奠定基礎(chǔ)，軍事效益明顯。

4 結(jié) 語

航空發(fā)動機油封模擬系統(tǒng)是基于通用的計算機軟/硬件平臺，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，集訓(xùn)練和考核于一體的多功能航空發(fā)動機油封培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)。但是，要注意不同型號的航空發(fā)動機，其油封操作規(guī)程不同，所以航空發(fā)動機油封模擬系統(tǒng)只能針對具體型號的發(fā)動機進行開發(fā)，也只能針對相應(yīng)型號的發(fā)動機進行訓(xùn)練。

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