专业装备虚拟仿真实验平台

(1)实验项目

本实验系统由课程航空发动机原理、飞机结构强度、飞机构造学、航空发动机构造学、飞机推进系统控制等5个实验分系统构成,可开设52实验项目,其中:航空发动机原理13项、飞机结构强度5项、飞机构造学8项、航空发动机构造学13项、飞机推进系统控制13项,详见表2。

表2 专业装备虚拟仿真实验平台项目清单

课程

序号

实验项目

学时

实验性质

服务专业

航空发动机原理

1

压气机流量特性实验

2

综合性

飞行器动力工程、机械工程

2

航空发动机节流特性实验

2

综合性

3

航空发动机飞行特性实验

2

验证性

4

部件及整机工作原理演示实验

2

演示性

5

平面叶栅特性实验

2

综合性

6

燃烧组织演示实验

2

演示性

7

燃烧室流阻特性实验

2

综合性

8

脉冲爆震发动机工作原理实验

1

演示性

9

涡轮喷气发动机特性虚拟试验

1

综合性

10

加力式涡轮喷气发动机特性虚拟试验

1

综合性

11

涡轮风扇发动机特性虚拟试验

1

综合性

12

冲压发动机特性虚拟试验

1

综合性

13

航空发动机半物理仿真实验

2

演示性

飞机结构强度

1

部件级疲劳虚拟仿真实验

2

原理性

飞行器动力工程、机械工程及自动化、安全工程、管理工程及各类任职教育

2

材料K1C测试虚拟仿真实验

2

验证性

3

飞机结构动强度测试虚拟仿真实验

2

综合性

4

起落架落震虚拟仿真实验

2

原理性

5

飞机机动飞行包线测试虚拟仿真实验

2

综合性

飞机构造学

1

燃油气穴现象演示虚拟仿真实验

2

演示性

飞行器动力工程、机械工程

2

飞机输油系统工作原理虚拟仿真实验

2

原理性

3

配重活门式供油原理虚拟仿真实验

2

原理性

4

飞机座舱压力控制虚拟仿真实验

2

综合性

5

飞机座舱密封性虚拟仿真实验

2

综合性

6

飞机输油控制故障虚拟仿真实验

2

综性

7

飞机供油控制故障虚拟仿真实验 

2

综合性

8

飞机刹车系统及其功能虚拟实验

2

原理性

航空发动机构造学

1

VR实景发动机外部附件认知实验

2

原理性

飞行器动力工程、机械工程、电气工程及其自动化、武器系统与工程等

 

2

压气机综合模拟实验

2

原理性

3

主燃烧室综合模拟实验

2

原理性

4

涡轮综合模拟实验

2

原理性

5

加力燃烧室和尾喷管综合模拟实验

2

原理性

6

外涵道和混合气综合模拟实验

1

原理性

7

发动机滑油系统综合模拟实验

2

原理性

8

发动机主燃油系统综合模拟实验

2

原理性

9

发动机加力燃油系统综合模拟实验

2

原理性

10

发动机几何通道控制系统综合模拟实验

2

原理性

11

发动机综合调节器综合模拟实验

2

原理性

12

发动机起动系统综合模拟实验

2

原理性

13

发动机主要部附件虚拟仿真交互式认知实验

2

原理性

飞机推进系统控制

1

发动机主燃油系统加速仿真实验

2

验证性

飞行器动力工程、机械工程

2

发动机导流叶片控制仿真实验

2

验证性

3

发动机控制系统虚拟运动加载实验

2

综性

4

发动机转速控制系统演示实验

2

原理性

5

发动机状态控制虚拟仿真实验

2

验证性

6

发动机特殊情况控制演示实验

2

原理性

7

转速控制研究性实践

2

综合性

8

数字控制器PID参数整定实验

2

综合性

9

单神经元控制器的虚拟设计实验

2

原理性

10

摆动活门式液压放大器虚拟实验

2

验证性

11

电液伺服阀原理演示实验

1

原理性

12

高速比例阀原理演示实验

1

原理性

13

发动机分布式控制系统仿真实验

2

综合性

 

(2)实验功能及效果

由飞机结构强度、飞机构造学两门实验课程构成的飞机实验分系统,重点围绕飞机结构疲劳寿命、飞机结构的静强度与动强度、飞机大部件受力分析、飞机燃油系统工作、飞机液压系统原理等内容设计开发虚拟实验项目;由航空发动机构造学、航空发动机控制、航空发动机原理三门实验课程构成的航空发动机实验分系统,重点围绕航空发动机的组成与构造、发动机状态控制及调整和航空发动机原理特性等内容设计开发虚拟实验项目。特别是飞机结构静强度、航空发动机试车等大型、复杂、昂贵项目的虚拟实验,实现了“以虚补实”。涵盖了飞行器与动力工程、机械工程及自动化、安全工程、管理工程等6个本科专业以及各类任职教育的相关设备课程的实验内容。学员登陆网上虚拟实验系统,不仅可以模拟真实实验系统的操作训练、体验部分真实验室系统难以开设或无法开设的实验项目,还能根据自己的知识积累和兴趣爱好自主设计实验方案、探索可能的实验发现,达到“装备实验虚拟化、实验过程形象化、实验方式个性化”的实验效果。

2.2.2.2 典型实验项目

典型实验项目一:轴流式压气机流量特性虚拟实验

压气机流量特性实验可以帮助学生深刻理解压气机流量特性的变化规律,加深对航空发动机工作原理的认识。

点击进入“轴流式压气机流量特性模块”,本模块中主要包括实验介绍、实验目的、实验原理、实验帮助等模块,查看实验介绍、原理,针对实验目的按照高速轴流式压气机特性实验步骤提示完成实验,部分图片见图22到图25。主要步骤包括:

1)回顾实验目的、原理、测试方法、实验注意事项,核实实验方案;

2)熟悉各虚拟仪器设备,包括压气机实验台、节流阀、功率计、调速箱、涡轮轴发动机、涡轮轴发动机控制台、压气机测量装置、压气机实验控制台;

图22  实验台

图23  控制台

3)检查涡轴发动机的燃油、滑油、电气、操纵系统;

4)检查压气机的节流阀位置(最大开度)、参数测量系统;

5)进入操作间,给涡轴发动机和压气机控制系统供电,通过油门手柄启动涡轴发动机,观察涡轴发动机主要参数(转速、排气温度、滑油温度)变化,若有异常,给出警告,直到涡轴发动机进入额定工作状态,输出转速为12000转/分,同时被试压气机也达到同样转速;

6)在该转速下稳定工作2分钟,记录压气机各测量参数;

7)在同一转速下,改变节流阀位置达到实验方案中设定值,等压气机稳定工作1分钟,记录各参数;

8)然后再次改变节流阀位置,稳定工作后记录参数,依次类推,直到压气机出现沉闷的声音,记录参数,迅速将节流阀退回到初始的开放状态;

9)通过调速器减小压气机转速,重复6)-8)步骤,直到完成实验方案中所有的转速下实验;

图24  实验原理

10)断电、恢复实验台状态。

图25 实验结果

典型实验项目二:发动机节流特性实验

点击进入“地面台架条件下发动机节流特性模块”,本模块主要包括实验目的、实验设备及原理、实验方法、实验步骤、发动机参数的测量、应急处置方法等。

地面台架条件下发动机节流特性虚拟实验室,包含实验操作装置(油门装置)、监控平台、测试平台、航空发动机整机,实验以第一人称视角自由移动、操作,查看实验介绍、原理和目的,根据实验步骤提示,完成包括发动机的起动、暖机、加速、减速过程,不同稳定状态(慢车、巡航、额定、最大、加力),所有可监测参数记录到实验数据中,最后完成实验。主要步骤包括:

(1)回顾实验目的、原理、测试方法、实验注意事项,核实实验方案;

(2)熟悉各虚拟仪器设备,包括发动机试车台架、被试发动机、加力冷却吹风系统、燃油供应系统、滑油供应系统、尾喷管操纵系统、发动机操纵系统、试车台控制装置、发动机操纵台、打印机、绘图仪、发动机测试系统;

图26 试车台控制装置

图27 地面台架航空发动机试车间

(3)检查被试发动机的燃油供应、滑油油量;

(4)检查被试发动机的尾喷管操纵系统、发动机操纵系统;

(5)检查被试发动机的风扇进口导流器刻度、高压压气机静子调节器刻度;

(6)检查被试发动机的加力冷却吹风系统;

(7)进入操作间,关闭试车间的门;

(8)给发动机控制系统供电,通过油门手柄启动被试发动机到慢车状态,观察被试发动机主要参数(转速、排气温度、滑油温度、滑油压力)变化,若有异常,给出警告,直到发动机进入慢车工作状态;

图28 油门手柄

(9)然后按试车规程进行试车(进入暖机,然后回到慢车,依次推油门到巡航、额定、最大状态,然后进入加力),在每个状态下记录各项参数,直到完成实验方案中的所有内容;

图29 参数细节

图30 参数记录结果

(10)断电、恢复实验台。

典型实验项目三:燃油气穴现象演示虚拟实验

本实验采用虚拟仿真技术,模拟油箱在正压0.05MPa和负压两种情况下,在齿轮泵吸油口玻璃管中有无气穴产生,通过模拟实验演示加深对燃油泵气穴产生机理的理解。虚拟实验系统如图31所示,模拟油箱在正压0.05MPa情况下,观察玻璃管中无气穴产生模拟界面如图32、图33所示,模拟油箱在负压情况下观察段有气穴产生模拟界面如图34、图35所示。

图31 燃油气穴现象演示虚拟仿真实验台 图32虚拟仿真实验系统油箱正压

图33正压情况下无气穴现象

图34 燃油气穴现象演示虚拟仿真实验系统油箱负压

图35负压情况下有气穴现象结果

典型实验项目四:飞机输油控制故障模拟实验

本实验采用仿真技术,模拟飞机输油控制系统在运行活门、液电阀、射流泵、射流传感器、油尽信号器故障情况下,对飞机输油系统故障的影响。仿真实验系统如图36所示,液电阀故障模拟结果如图37所示。

图36 飞机输油控制系统虚拟仿真实验台

图37 液电阀故障模拟

典型实验项目五:飞机部件级疲劳虚拟实验

飞机部件级疲劳虚拟实验是模拟金属材料的疲劳过程,测试其疲劳寿命的实验,其实验流程如下:

(1)在飞机装备教学配套虚拟仿真实验系统中点击“飞机部件级疲劳虚拟实验”,进入实验。

图38给出了飞机装备教学配套虚拟仿真实验系统的系统界面,其中列出了系统中所包含的各个实验项目,如飞机部件级疲劳虚拟实验、飞机液压泵源综合虚拟实验等。

图38 飞机装备教学配套虚拟仿真实验系统主界面

(2)点击“飞机部件级疲劳虚拟实验”按钮,进入飞机部件级疲劳虚拟实验模块

系统加载完成后即可进入实验模块,如图39所示。首先分别点击右上角的实验目的、实验内容等标签了解此次试验的基础知识。之后点击屏幕左侧的实验项目按钮,在弹出的对话框中选择对应的实验项目,如图40所示。

图39 飞机部件级疲劳虚拟实验模块界面

图40 虚拟实验项目选择界面

(3)点击“线切割”按钮,进入试验件虚拟加工模块

按照加工过程,用鼠标左键点击设备对应位置,进行试验件加工。实验过程中,屏幕顶端会有提示条提示学员下一步操作,对应需点击位置高亮显示,虚拟加工过程如图41所示。实验中,按住左键拖动可以旋转视角,滚动中键可以缩放屏幕。

图41 虚拟加工过程

(4)点击“MTS疲劳实验”按钮,进入疲劳寿命虚拟实验模块

按照与线切割中相同的操作方法,开展疲劳寿命测试虚拟实验,虚拟实验过程如图42所示。学员观察实验现象,记录实验数据。

图42 疲劳寿命测试虚拟实验界面

(5)点击右上角“退出实验”按钮,退出虚拟实验模块

退出虚拟实验模块,由学员课下完成实验报告。

典型实验项目六:发动机滑油系统综合模拟实验

发动机滑油系统是发动机非常重要的工作系统,对于发动机的正常工作发挥着十分重要的作用,且滑油系统属于故障多发系统。通过发动机滑油系统综合模拟实验,使学员理解滑油系统的功用及组成,掌握典型发动机的滑油系统方案和各主要附件的构造和工作、滑油系统关键参数、典型故障和维护特点,对主要部件故障和系统故障有初步的判断能力。实验内容主要包括:滑油系统功用、组成认知;按滑油系统各子系统组成及工作过程,对滑油供油系统部分、滑油回油系统部分、滑油通气系统部分、滑油支点增压部分绘制组成及工作线路;对每个子系统中组成附件结构、工作原理及过程进行交互式学习;对每个子系统整体工作过程及线路进行交互式演示操作;完成滑油系统监控参数观测、产生“发动机降转”信号分析和滑油系统典型故障判断和维护工作。

实验流程如下:

(1)在发动机使用维护虚拟仿真实验系统主界面中点击“滑油系统”,进入实验

发动机使用维护虚拟仿真实验系统主界面如图43所示,点击左侧菜单栏中的“滑油系统”按钮进入发动机滑油系统综合模拟实验,其主界面如图44所示。

图43 发动机使用维护虚拟仿真实验系统主界面

图44 发动机滑油系统综合模拟实验系统主界面

(2)按滑油系统各子系统组成及工作过程,对滑油供油系统部分、滑油回油系统部分、滑油通气系统部分、滑油支点增压部分绘制组成及工作线路

在图43所示的主界面中左侧点击相应的子系统按钮,进行各子系统组成部件及工作线路绘制。

图45 绘制滑油支点增压部分组成及工作线路

(3)对每个子系统中组成附件结构、工作原理及过程进行交互式学习

当各子系统组成部件及工作线路绘制正确后会进入各子系统的组成附件结构、工作原理及过程进行交互式学习界面,如图46所示。

图46 各子系统的组成附件结构、工作原理及过程交互式学习界面

在相应的各子系统的组成附件结构、工作原理及过程交互式学习界面点击各组成附件按钮,就可进行各子系统的组成附件结构、工作原理及过程交互式学习,各界面数量较多,示例如图47所示。

图47 增压泵结构、工作原理及过程交互式学习界面

(4)对每个子系统整体工作过程及线路进行交互式演示操作

点击图43所示的各子系统的组成附件结构、工作原理及过程交互式学习界面中演示操作按钮,进行滑油供油、回油、通气和支点增压系统整体工作过程及线路交互式演示操作,如图48所示。

图48 供油系统局部路线交互式演示操作过程界面

(5)可选择性完成滑油系统监控参数观测、产生“发动机降转”信号分析和滑油系统典型故障判断和维护工作虚拟仿真实验

可通过点击图43(发动机使用维护虚拟仿真实验系统主界面)下方的“导航”按钮,进入如图49所示的滑油系统中的维护导航界面,点击界面上的“维护”按钮,可选择性完成滑油系统监控参数观测、产生“发动机降转”信号分析和滑油系统典型故障判断和维护工作虚拟仿真实验。

图49 导航界面

由于本内容相关界面过多,举例展示产生“发动机降转”信号分析虚拟仿真实验中由于滑油压力超标产生“发动机降转”信号分析和故障判断虚拟仿真实验界面如图50所示。

图50 滑油压力超标产生“发动机降转”信号分析和故障判断虚拟仿真实验结果

典型实验项目七:摆动活门式液压放大器虚拟实验

摆动活门式液压放大器虚拟实验是采用虚拟环境来模拟摆动活门式液压放大器的工作过程,重点验证该类型放大器的静态特性,其实验流程如下:

(1)实验前准备

第一步:将配电箱内左上电源开关旋转至“1”状态,打开实验台总电源。

     

图51 电源总开关打开(左)、关闭(右)位置

第二步:左旋“低压供油开关”至最大,确保启动低压泵后管路内无压力。

图52 控制“低压供油开关”左、右旋的按钮

(2)实验过程

第一步:按下蓝色“低压泵启动”按钮。

第二步:右旋“低压泵供油开关”将进口压力(压力表2)P2逐渐调制1.08Mpa(此处以预开口的简单分油活门式液压放大器为例,选择其他实验元件时需根据具体的实验元件来确定具体的P2压力)。

图53 调整P2压力

第三步:调节分油活门实验元件上的旋钮,使出口压力(压力表4、压力表5)P4=P5,旋转千分表盖使指针指示为0。

图54 分油活门调至中立位置

图55 千分尺归零

第四步:调节旋钮使活门左右移动,记录不同位移S时的出口压力P4、P5,并在特性图上连接成分油活门的液压特性曲线,观察特性曲线是否在公差带范围内。

图56 调整分油活门位置并记录数据

图57 数据结果分析

(3)实验结束

第一步:左旋“低压供油开关”至最大,卸除管路内油压。

第二步:按下红色“停止低压泵”按钮。

第三步:将配电箱内左上电源开关旋转至“0”状态,关闭实验台总电源。

图58 将设备调至初始状态