飞行器全机结构强度虚拟仿真实验

2020-01-13

   

飞行器全机结构强度虚拟仿真实验所属课程是工程力学实验,是飞行器设计、飞行器制造工程、工程力学等航空航天大类专业的实验核心课程。该虚拟仿真实验教学项目建设依托“国家级力学基础课程教学团队”、“国家级飞机设计专业课程教学团队”、“国家级力学实验教学示范中心”、“飞行器结构完整性技术工信部重点实验室”、“飞行器结构力学与强度技术国防重点学科实验室”等教学团队和技术平台。这些技术平台能够为本虚拟实验建设提供国内一流的飞行器全机强度实验和测试条件。

 

飞行器全机结构强度实验技术难度高,实验规模大,工作周期长,资金消耗大,难以在现实场景中开展课堂教学。针对上述问题,我公司和学校共同研讨后决定充分利用现代虚拟仿真技术,开发虚拟仿真实验教学项目,将飞行器设计和制造过程中的结构强度测试试验转化为教学实验,让学生掌握飞行器全机结构强度和刚度实验的基本原理,掌握全机结构强度实验的设计与验证方法,了解典型的实验加载和测试系统的基本原理,对培养学生的工程意识、创新精神和创新能力具有重要意义。该虚拟仿真实验符合“缩短实验时间及空间,节省实验成本,提高安全系数,实现资源的高效利用”的理念,能充分体现现代信息技术与实践教学深度融合的优势。结合国家级精品课程、陕西省精品课程和慕课等教学资源,我公司配合通过对实验方案设计、实验准备、加载测试、变形断口检查和实验结果分析等过程的虚拟构建,为学生打造一个完整的飞行器全机结构强度测试在线开放课程体系。本项目的实验原理及流程如图所示

 

 

本虚拟实验的主要目的体现在以下几方面:

1)克服实验成本和技术要求高的困难。飞行器全机结构强度实验需利用多通道协调加载系统进行,需要大量专业技术人员协同工作才能完成,实验规模大,操作流程复杂,成本高,技术难度大,一般本科生实验室不具备开展实验的条件。而虚拟仿真实验能够有效地解决以上难题。

 

2)解决传统实验课程因时间受限无法教学的难题。传统的飞行器全机结构强度实验,要依次进行实验系统安装、测试设备准备、实验系统调试、正式实验、变形断口检查、实验结果分析和实验报告撰写等一系列工作,实验周期很长,难以在传统课程的学时内完成教学。采用虚拟仿真实验,可在保留实验关键要素的条件下,最大限度压低实验教学时间,为创新实践教学带来便利。

 

3)拓宽学生的专业视野,提高综合运用知识的能力。飞行器全机结构强度虚拟仿真实验涵盖飞行器结构设计、材料力学性能测试、结构强度测试、强度分析与评估等专业知识,扩大了实验教学的知识覆盖面,提高了知识应用的融合度,拓宽了学生的专业视野,培养了学生综合运用知识的能力。

 

4)虚实结合,有效激发学生创新热情。虚拟实验为学生提供一个自由开放的实验环境,学生可以依托该环境,设计自己的加载和控制系统。一些新型的加载方法可以首先在虚拟实验环境中验证,随后在真实的物理环境中进行研制。通过虚实结合,能够激发学生创新创造的热情,培养学生科学严谨的学习态度,提升学生的自主学习能力。

 

本项目的实验原理分述如下:

1)实验总体设计

飞行器全机结构强度实验总体设计,即按照实验目的和考核对象的特征,确定实验的总体规模和分系统设计的主要内容,包括实验支持系统、实验加载系统、实验测量系统、安全防护系统等主要系统,为分系统设计和实现打下良好基础。

 

2)加载和测量设计

根据实验目的和总体设计要求,确定飞行器结构受力、飞行剖面载荷和加载方案,确定飞行器结构响应、应变和变形测量方案,确定加载和测量所用到的实验设备和仪器,进行加载和测试准备工作。

 

 

3)实验标定与开始

对实验加载、测量和采集设备和系统进行标定、复检和调试。在各系统调试正常的基础上,进行限值载荷实验和极限载荷实验,通过这部分虚拟实验,观察飞机结构在载荷作用下的变形和应力发展过程,增进学生对飞行器结构和承载特性的理解。

 

4)结构评估与分析

在完成上述实验的基础上,进行结构变形破坏检查和实验结果分析,全面了解飞行器结构的受力、损伤和破坏特性,锻炼学生综合应用专业知识的能力。

 

 

5)网络开放,在大范围内让更多学生受益。根据学生对该虚拟仿真实验的操作打分,同时回传成绩至国家虚拟仿真实验平台i-LAB学生认真填写感想和建议部分,并完成实验报告撰写,为国内所有的学生提供了一个可以实际操作的实验环境,将优质的教学资源向社会开放,让更多人受益。