基础理论课程虚拟仿真实验系统

2.2.1.1 实验项目与功能效果

(1)实验项目

本实验系统由应用流体力学、航空机械设计、航空材料学、飞机流体传动与控制、飞机飞行动力学和高等大气飞行力学等6个实验分系统构成,可开设51个实验项目,其中:应用流体力学7项、航空机械设计8项、航空材料学8项、飞机流体传动与控制3项、飞机飞行动力学10项、高等大气飞行力学15项,详见表1。

表1 基础理论课程虚拟仿真实验系统项目清单

课程

序号

实验项目

学时

实验性质

服务专业

应用流体力学

1

伯努利方程实验

2

原理性

飞行器动力工程、机械工程、电气工程

、土木工程

2

比托管测速实验

2

原理性

3

雷诺实验

2

原理性

4

局部损失测定实验

2

原理性

5

沿程损失测定实验

2

原理性

 6

翼型低速气动特性实验

2

综合性

7

机翼低速气动特性实验

2

综合性

航空机械设计

1

机械运动参数测定实验

2

原理性

飞行器动力工程、机械工程、电气工程及其自动化、航空装备工程、飞行器适航技术

2

齿轮范成原理实验

2

原理性

3

四杆机构演示实验

2

验证性

4

转子动平衡实验

2

验证性

5

机构运动方案创新设计实验

2

综合性

6

减速器拆装实验

2

原理性

7

螺栓联接综合实验

2

综合性

8

组合式轴系结构设计与分析实验

2

综合性

航空材料学

1

铁碳平衡组织观测实验

  

验证性

飞行器动力工程、机械工程

2

钢的热处理实验

2

综合性

3

硬度测试实验

2

综合性

4

钛合金热处理实验

2

综合性

5

铝合金时效过程模拟实验

2

综合性

6

高温合金蠕变过程模拟实验

2

综合性

7

复合材料制备过程实验

2

综合性

8

先进涂层镀膜模拟实验

2

综合性

飞机流体传动与控制

1

飞机液压泵特性虚拟仿真实验

2

综合性

飞行器动力工程展业、机械设计及其自动化工程专业

2

飞机液压助力器加载速度特性虚拟仿真实验

2

综合性

3

液压舵机开环、闭环特性虚拟仿真实验

2

验证性

飞行动力学

1

飞机总体性能虚拟现实仿真实验

2

验证性

飞行器动力工程展业、机械设计及其自动化工程专业

2

人-机动态特性虚拟现实模拟实验

2

原理性

3

升力的产生和变化规律仿真实验

2

原理性

4

阻力的产生和变化规律仿真实验

2

综合性

5

短周期运动模态特性仿真实验

2

原理性

6

长周期模态仿真实验

2

原理性

7

尾流对飞行影响实验

2

综合性

8

飞行风险定量评估实验

2

综合性

9

荷兰滚模态仿真实验

2

原理性

10

滚转模态仿真实验

2

综合性

高等大气飞行力学

1

大气紊流速度场的线化实验

1

验证性

飞行器动力工程展业、机械设计及其自动化工程专业

2

大气紊流速度的气动等价作用实验

2

验证性

3

大气紊流速度的模拟实验

1

验证性

4

系统时域响应与s域响应之间的关系实验

2

设计性

5

三自由度陀螺实验

2

验证性

6

简单滞后网络实验

2

设计性

7

简单超前网络实验

2

验证性

8

空战中常用的综合机动实验

2

设计性

9

空战中争取优势的战术机动实验

2

验证性

10

飞机急滚非线性分析实验

2

验证性

11

飞机急滚稳定性的线性近似分析实验

2

验证性

12

横航向偏离的线性近似分析实验

2

验证性

13

偏离的非线性分析量实验

2

验证性

14

稳态尾旋的近似分析实验

2

验证性

15

尾旋的非线性分析实验

2

设计性

(2)实验功能及效果

本实验系统开设的虚拟仿真实验项目,在模拟基础理论实际物理实验系统功能的基础上,还增加了以下两项功能:一是实现了实验内容的拓展,通过虚拟现实、虚拟仪器技术搭建的虚拟实验环境,有效克服了真实实验中无法模拟实验环境的难题,拓展了实验内涵,提升了实验质量;二是实现了实验时空的延伸,通过建设网络虚拟仿真实验室,让学员利用网络远程终端完成虚拟实验,既实现了时间上从课内到课外的延伸,又实现了空间上从室内到室外的延伸,极大地方便了学员的自主实验实施,提高了学员参与实验教学活动的积极性。

2.2.1.2 典型实验项目

典型实验项目一:飞机液压助力器空载速度特性实验

飞机液压助力器空载特性实验是模拟飞机液压助力器在空载条件下,活塞杆的运动速度和主滑阀行程的变化关系特性的实验,其实验流程如下:

(1)飞机流体传动与控制虚拟实验系统中点击“飞机液压助力器空载特性实验”,进入实验。

图2给出了飞机液压助力器空载速度特性虚拟实验的系统界面,右侧给出了飞机液压助力器空载速度特性所包含的所有实验内容,包括实验目的、实验设备、实验原理、实验流程、实验报告等主要按钮,左侧给出实验项目和系统的帮助文件功按钮。

图2 飞机液压助力器空载速度特性虚拟实验系统

(2)点击“实验目的”、“实验内容”、“实验设备”、“实验原理”按钮,进入飞机液压助力器空载速度特性实验学习模块。

该模块分为六个学习内容,主要学习内容如图3所示。

  

(a) (b)
(c) (d)

图3 飞机液压助力器空载速度特性学习模块

(3)启动“空载速度特性”实验项目开始试验。

按“实验项目”按钮,进入图4所示界面,然后按照图5所示的实验流程进行实验。

图4 开始实验 图5 实验流程

(4)打开钥匙电源开关,记录空载速度特性实验数据,获取空载速度特性曲线。

打开钥匙电源开关,启动系统电机,调节系统压力到规定值,调整主滑阀相对于副滑阀的位置,记录每次活塞杆走完L=60mm这一行程所用的时间,经计算处理后,获得空载速度特性曲线。图6所示为飞机液压助力器空载速度特性实验打开钥匙电源开关获取界面,图7所示为飞机液压助力器空载速度特性实验时间数据获取界面,图8所示为飞机液压助力器空载速度特性实验结果。

图6 飞机液压助力器空载速度特性打开钥匙电源开关获取

图7 飞机液压助力器空载速度特性时间数据获取

图8 飞机液压助力器空载速度特性曲线图

典型实验项目二:航空机械设计虚拟仿真实验之机构运动方案创新设计实验

机构运动方案创新设计实验目的是加深对机构组成原理的认识,进一步了解各种常用机构组成及运动特性;培养学生运用实验方法设计、验证、确定机械运动方案的初步能力;培养综合设计能力及实践动手能力。实验系统主要采用三维建模技术,实现实验环境、实验过程的可视化,以直观、交互性强的用户界面呈现实验过程,从而提高学员实验过程中的沉浸性和体验性。实验内容主要包括:模型构建、虚拟装配、运动仿真分析等。实验流程如下:

(1)进入实验。

航空机械设计虚拟仿真实验系统主界面如图9所示,点击“机构运动方案创新设计实验”,进入实验。

图9 航空机械设计虚拟仿真实验主界面

(2)模型构建

模型构建主要由SolidWorks的二次开发工具箱实现,已经开发了机构搭接台及常用零件库,如图10和图11所示,学员可根据需要调用或自主建模。

图10 机构搭接台 图11 常用零件库

(3)虚拟装配

调用或建立零件模型后,就可以根据需要,在软件环境中进行虚拟装配,为机构运动分析做好准备。装配模块中提供了方便的部件定位方法,可以轻松的设置部件的位置关系,通过对部件添加多个配合,可以准确的把部件装配到位,如图12所示。

图12 虚拟装配

(4)运动仿真分析

通过定义完运动,选择motion分析,点击计算,在软件中就可以实现运动机构的虚拟运动。直接点击结果和图解按钮,可以得到执行构件的运动曲线,如图13所示。

图13 运动仿真分析结果

典型实验项目三:尾流对飞行影响实验

实验主要内容为利用分布式仿真中的视景单元,探讨飞机在尾流清形下的指示引导技术。目前,HUD(Head Up Display)技术以其对飞行参数直观形象的显示效果以及方便的观察视角得到广泛应用。依托HUD技术,飞行员不需低头即可精确观察飞机的运动状况。

(1)第一步:飞行前检查调试虚拟仪表仿真单元。虚拟仪表仿真单元主要表现座舱内三维空间的布局、座舱面板中的各种仪表,及多功能显示部件等部分。飞行前检查调试虚拟仪表单元的主要内容包括,从仿真总线接收仿真计算的数据,转发给各个虚拟仪表,驱动仪表参数的变化,观察飞机的姿态、位置等参数的变化。虚拟仪表的效果如图14。

图14 虚拟仪表仿真单元

(2)第二步:利用HUD动态标示飞机位置

首先,计算编队飞行时的飞机位置;然后,根据前机型号和前机位置,结合外部环境,利用HUD动态显示飞机位置、姿态。实验中尾流指示引导系统的构建流程如图15。

图15 尾流实验流程

(3)第三步:开展与前机距离1000 m情形下的尾流实验。

(a) 与前机距离1000 m情形下遭遇尾流的视景图

(b) 未开尾流指示引导系统的HUD显示  (c) 打开尾流指示引导系统后的HUD显示

图16  与前机距离1000 m情形下尾流指示引导系统效果图

(4)第四步:开展与前机距离9000 m情形下的尾流实验。

(a) 与前机距离9000 m情形下遭遇尾流的视景图

(b) 未开尾流指示引导系统的HUD显示 (c) 打开尾流指示引导系统后的HUD显示

图17 与前机距离9000 m情形下尾流指示引导系统效果图

(5)第五步:开展与前机距离15000 m情形下的尾流实验。

(a) 与前机距离15000 m情形下遭遇尾流的视景图

(b) 未开尾流指示引导系统的HUD显示       (c) 打开尾流指示引导系统后的HUD显示

图18  与前机距离15000 m情形下尾流指示引导系统结果

(6)第六步:分析实验结果

从图16、图17和图18中可以看出编队飞行的尾流区域已动态标注到HUD中。学员可根据飞机在HUD中的显示位置采取合适的规避策略避免进入到高强度尾流区域内,从而实现尾流的可视化指示引导。

典型实验项目四:飞行风险定量评估实验

本实验目的是加深对飞行风险评估方法的认识,进一步了解各种情形下的风险特性;培养学生运用实验方法设计、验证、确定飞行风险的初步能力;培养综合设计能力及实践动手能力。实验系统主要采用Matlab算法、三维视景软件,以直观、交互性强的方式呈现实验过程,从而提高学员实验过程中的沉浸性和体验性。

(1)建立飞行模型和多因素风险情形树模型,如图19所示。

图19 飞行模型

(2)对各个情形进行仿真,仿真三维视景见图20。

图20 仿真视景图

图21 飞机着陆各种情形下的三维航迹结果

(3)对单发停车出现时间、目测高/低的距离等随机因素进行Monte-carlo仿真,学生采取人在环操纵,对以下四类复杂飞行情形进行仿真计算。

(4)对大侧风情形开展实验

大侧风会引起飞机侧滑和滚转,给飞行员带来额外的工作负担。可能会出现降落不到跑道的情形出现。飞机两个机轮间的宽度为,跑道宽度为,则飞机接地时离跑道边较近的机轮到中心线的距离记为,记危险落地距离为。则时记为出现冲出跑道情形。跑道宽为24米,则安全阈值为12米。经过100次仿真,得到危险落地距离极值样本。

(5)对大侧风加单发停车情形开展实验

可能会导致冲出跑道或硬着陆情形。判断是否硬着陆时应以接地下降率作为标准。该型飞机起落架的设计最大接地率为5m/s。经200次仿真,得到着陆速度的样本,成功着陆122次,因冲出跑道次数为32次,重着陆事故为46次,评估得风险概率为0.39。

(6)对大侧风情形进行结果分析

目测过高的情况下出现,会导致飞机的重着陆。此种情形为高风险情形,飞行风险不再为小概率事件,用频率统计法进行计算,仿真200次,共有168次失败着陆,32次成功着陆,风险概率为0.84。

(7)对大侧风加单发停车情形进行结果分析

该情形为极高风险情形,仿真100次,共有190次失败着陆,10次成功着陆,该情形的风险概率为0.95。

(8)对评估计算结果进行分析:虽然单个多因素情形的风险较高,但由于单个因素出现的概率较低,并且多个因素同时出现的概率更低,整体科目风险概率符合标准要求。因此,对于多因素情形的风险控制关键是对单个不利因素的出现概率进行控制,并且降低因素之间的耦合作用;加强飞行员在类似情形下的训练十分必要,经过训练和不经过训练,同样飞行情形的飞行结果将发生较大变化,以上方法可以为飞行员训练提供较好的理论支撑。