复杂装配体虚实结合实验教学系统开发与实践_李昌平.pdf
《复杂装配体虚实结合实验教学系统开发与实践_李昌平.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《复杂装配体虚实结合实验教学系统开发与实践_李昌平.pdf(5页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、 第 卷 第 期 年 月:复杂装配体虚实结合实验教学系统开发与实践李昌平,高嘉伟,贺 鑫(中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,武汉)摘 要:以航空发动机为研究对象,开发了航空发动机虚拟实验系统和航空发动机 打印实验平台。通过航空发动机三维展示模型优化及基于 开发的航空发动机虚拟系统,实现了航空燃气涡轮发动机整体运行的三维漫游展示、零部件的功能介绍、虚拟操作、虚拟运动仿真等虚拟交互功能。结合 打印技术研制的航空发动机 打印实验平台,实现了航空发动机关键零部件模型的实体模型展示、装配体零件的拆装等。通过本系统的研究与实践,有助于增强学生对航空发动机结构原理的理解,提高学生的实践操作能力,同时增
2、强了学生对 及制造装配技术的理解,扩展学生的知识面,提升学生的动手实践能力和创新能力。关键词:虚拟实验;虚实结合;航空发动机;打印中图分类号:;文献标志码:文章编号:(),(,):,:;收稿日期:基金项目:教育部产学合作协同育人项目()作者简介:李昌平(),男,湖南常德人,博士,讲师,主要研究方向为机电一体化系统。:;:通信作者:贺 鑫(),男,湖南郴州人,博士,讲师,主要研究方向为机电一体化系统。:;:引 言人才培养是中国制造 强国战略的关键。教学手段科技化、教育传播信息化、教学方式现代化对于多元化实验教学具有重要意义。目前,行业特色院校针对专业性大型复杂机械装备的实验教学存在如 第 期李昌
3、平,等:复杂装配体虚实结合实验教学系统开发与实践下难题:实物价格昂贵,后期维护及保养费用亦不可忽视。同时大型复杂装备往往占地面积大;大型复杂装备结构复杂,实物制作或模型制作困难,内部结构原理难以清晰展示;由于零件多,装配工艺复杂,不适合频繁装拆;难以实现多人同时教学,实物展示效果不佳。基于上述原因,当前复杂装备的实验教学模式资源紧张,教学模式单一,缺乏新意,容易让学生产生倦怠。传统的实验教学模式通常停留在装备认知上,多数采用静态观察的模式,难以向学生展示其内部的结构,更难以动态展示其工作原理。只有做到理论与实际操作相结合,才能让学生做到有“实”可依,有“理”可循。通过开发“虚实结合”的大型复杂
4、装备的实验平台,不仅满足培养创新型人才的需要,亦可解放实验人员的生产力,促进中国 强国人才培养战略。为提高实验教学质量和实践教学育人水平,坚持“学生中心、产出导向、持续改进”的教学原则,以信息化为导向,建设特色院校特色专业“虚实结合”实践教学平台,可以有效降低实验成本,实现教学资源共享,培养学生探究式思维和自主学习能力,提升教学效果。本文以航空发动机这一典型复杂装备作为虚实结合实验教学研究对象,研制了“虚实结合”实践教学平台,针对四类典型的航空发动机:涡轮风扇发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机,开发出虚拟实验系统,实现虚拟环境下航空发动机结构原理介绍、三维漫游展示、自动虚拟
5、拆装、手动拆解、零部件装配,整机动态模拟运行等交互实验;同时开发了航空发动机 打印实验平台,实现航空发动机关键零部件及整体模型展示,模拟运转等功能,从而达到“虚实结合”的实验教学效果。教学系统总体方案设计复杂装配体虚实结合实验教学系统以航空发动机为虚拟实验教学研究对象,其总体方案如图 所示。在航空发动机三维模型建模方面:采用三维建模软件 完成涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机的建模和渲染;在虚拟实验系统方面:首先在 中附材质、渲染及制作动画,然后在 平台上开发虚拟实验系统,实现航空发动机原理结构介绍、航空发动机自动虚拟拆装、航空发动机手动虚拟拆装、运动虚拟仿真、零部
6、件展示、全视角交互漫游、实验记录、统计等功能;在航空发动机 打印实验平台实现方面:首先针对航空发动机打印前实体模型重建,并搭建 打印模型工作演示台。本实验教学系统研究和建设的目标具体如下:实现航空发动机等复杂装配体整体运行的三维漫游展图 航空发动机虚实结合实验教学系统总体方案示、零部件三维漫游展示、零部件爆炸图的展示以及各零部件的功能说明、虚拟操作、虚拟运动仿真等,实现虚拟实训教学,使学生掌握和应用相关专业知识分析和设计相应装备,提高学生工程实践能力。虚拟实训可以让学生随时随地系统、深入地进行实验,提高自主学习的兴趣。实现关键零部件模型的实体展示、装配体零部件的拆装等。最终,建立一个虚实结合的
7、实验平台,让学生能在一个实时交互平台上对航空发动机功能、结构、工作等产生深刻的认识,并了解最近 打印以及先进的制造工艺及设备。丰富教学内容,优化实践教学形式,解决了实践教学资源不足的问题,通过该实践教学平台实现的功能达到良好的实践教学结果,培养同学们的科研实践能力,有利于培养面向社会需求的创新型人才。系统设计与实现 航空发动机三维展示模型优化航空燃气涡轮发动机主要由压气机、燃烧室和燃气涡轮所组成。燃气涡轮发动机主要分为涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。为了充分展示燃气涡轮发动机核心机结构部件及燃烧运转过程,对航空发动机三维展示模型进行建模和优化。航空涡轮发动机建模
8、采用 和 进行建模,在 中进行材质添加及渲染。在 上先进行平面图的绘制,对于风扇部分先平面图绘制,再进行建模,并开好键槽等轮廓。之后对叶片进行绘制、扭转并建模,接着再对其余转子部分进行建模,包括涡轮,涡轮轴,各级轮盘的建模。分别从涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机中各选出一款发动机完成建模及渲染。图 所示为涡轮轴和涡轮风扇航空发动机优化及渲染模型。系统技术实现航空发动机虚拟系统在平台进行开发,第 卷()涡轮轴发动机()涡轮风扇发动机图 涡轮轴和涡轮风扇航空发动机优化及渲染模型 可制作具有沉浸感的虚拟环境,它对参与者生成诸如视觉、听觉等各种感官信息,给参与者一种身临其
9、境的感觉。基于 的虚拟实验平台的开发主要包括虚拟元件素材准备、虚拟元件数据库开发、数据库与接口模块开发、虚拟场景开发、虚拟场景中虚拟元件交互动作开发等步骤,是一种应用广泛的虚拟人机交互设计方法。经由一个设计完善的图形使用者界面,使用模块化的行为模块撰写互动行为元素的脚本语言,使得使用者能够快速地熟悉各种功能,包括从简单的变形到力学功能等。可以制作出许多不同用途的 产品,如网际网络、计算机游戏、多媒体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等。图 所示为采用 开发的航空发动机虚拟系统结构功能图。图 航空发动机虚拟实验系统总体方案结构图 由于 不具有三维建模功能,但可以与多种建模软件搭配使
10、用,例如,等,开发航空发动机虚拟系统,首先将建好的模型导入到 中,进行材质赋予、场景的烘焙、模型的简化及坐标系的调整等步骤,这是由于 可以降低模型复杂度,保证尺寸准确无误。然后在 中制作虚拟实验系统界面,最后在 中重新调整材质、灯光,创建各种对象的物理化程序和控制程序,创建摄像机程序等。并且 架构灵活,开发者可以对相应的模块进行编辑,并且配套多种引擎和工具集,普通开发者可通过鼠标键盘进行交互控制,进而开发出航空发动机虚拟系统,实现发动机原理结构介绍及实验记录、统计,全视角交互漫游,发动机自动虚拟拆装,发动机手动虚拟拆装,零部件展示,运动虚拟仿真等功能,该虚拟系统还可与数据手套等外接设备进行人机
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 复杂 装配 虚实 结合 实验教学 系统 开发 实践 昌平