张永杰，万小朋，王海涛

（西北工业大学 民航学院，陕西 西安 710072）

引言

根据教育部2019年10月发布的《关于一流本科课程建设的实施意见》对虚拟仿真实验教学课程的建设要求，结合国家航空人才培养需求［1-3］，航空类本科生虚拟实践课程建设应始终坚持以学生为中心的实验教学理念［4-7］，通过设置准确适宜的实验教学内容［8-9］和设计创新多样的教学方式方法［6，10］，借助先进可靠的实验研发技术［11-12］和稳定安全的开放运行模式，才能取得具有显著示范效应的实验教学效果。为此，本文针对航空专业核心课提出了基于三维激光扫描的教学用飞机结构虚拟实践平台构建方法，以期为航空类本科生虚拟实践课程建设提供基础方法和技术参考。

“飞行器结构设计”“结构维修与适航”等课程是飞行器设计与工程、飞行器制造工程、飞行器动力工程等航空专业本科生的核心课程，主要介绍飞机结构的典型构造及受力分析方法、飞机结构基本机型和设计方法、飞机结构维修理论和新技术、飞机结构适航技术等。作为专业核心课的主要实验教学环节，机库现场课不仅是学生直观感受飞机典型结构和深化理论知识学习的有效手段，还是培养学生实践能力、创新思维和家国情怀的典型案例。考虑在线课程建设要求、多校区实物教学演示需求、老旧飞机数字化保护［13］等诸多因素，通过三维扫描［14］和数字化技术构建“虚拟机库”显得越来越重要。通过对机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件开展三维激光扫描、逆向建模和可视化演示等数字化处理，构建满足在线课程和实物教学演示要求的“虚拟机库”实验课教学平台，服务航空专业的虚拟仿真实验教学，达到实践育人和科研育人的效果，最大限度地挖掘和保护老旧飞机，完善爱国主义和思想政治教育的现实题材，达到思想政治育人的效果。

一、虚拟实践平台构建总体思路与建设内容

基于三维激光扫描的教学用飞机结构虚拟实践平台构建的总体思路如图1所示，主要建设内容简述如下。

图1 虚拟实践平台构建总体思路

1.机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的三维激光扫描。三维激光扫描是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，根据机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的外观形貌、几何尺寸、材料属性等不同，可采用中长距离固定式扫描仪和抗噪能力更好的便携式扫描仪，分别对机库中飞机结构部件进行三维外形数据采集。

2.机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的逆向建模。逆向建模是针对已有实物结构，通过三维扫描形成三维点云或网格模型，在三维软件环境中生成其数字模型过程。本文用三维激光扫描信息，构建机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的三维数字模型。

3.机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的可视化演示。依据机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的逆向数模，开发适用于全范围和重点结构的三维可视化展示平台，实现在PPT、视频、三维软件中的实时立体展示。

4.“虚拟机库”实验课教学平台构建。通过对机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的三维激光扫描、逆向建模和可视化演示等数字化处理，添加现役和新概念民用飞机简化结构，结合专业课程相关理论知识教学和实践教学要求，构建飞机典型结构的“虚拟机库”实验课教学平台。

二、虚拟实践平台的建设方案与实施方法

基于三维激光扫描的教学用飞机结构虚拟实践平台构建的建设方案如图2所示，具体实施方法简述如下。

图2 虚拟实践平台建设方案

1.“机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的三维激光扫描”实施方法。为了更加准确和高效地完成机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的三维外形数据采集，本文采用中长距离扫描仪对整机、机翼、机身等中大型飞机结构部件进行快速数据采集，采用抗噪能力更好的便携式扫描仪对长桁、翼肋、框、接头等小型典型结构件进行快速数据采集，实现了对中大型飞机结构部件外形轮廓的全覆盖和对小型典型结构样件的精准刻画。

2.“机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的逆向建模”实施方法。本文采用Geomagic Design X专业级逆向建模设计软件，利用其强大的点云和三角面片处理功能、自动分割功能、几何特征与自由曲面识别功能等，完成点云和网格数据预处理、坐标对齐、领域分割、草图绘制、建模、模型调整等工作，建立了机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的三维数字化模型。

3.“机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的可视化演示”实施方法。在建立的机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件的数字化模型基础上，划分全范围三维展示和重点结构三维展示的结构区域，开发基于Web的三维展示系统，实现与PPT、视频和其他三维处理软件的数据互联，完成三维数字化模型的实时立体展示。

4.“虚拟机库实验课教学平台构建”实施方法。针对机库典型飞机结构，利用三维激光扫描、逆向建模和立体演示动画技术，开发飞机典型结构的“虚拟机库”实验课教学平台，通过不断完善和添加现役民用飞机的典型结构虚拟样件素材库，学生可“沉浸式”地感受飞机结构实物场景，充分提高了学生的教学参与度和学习兴趣。

三、虚拟实践教学典型案例

1.中央翼结构实物与三维虚拟样件教学。以某民机中央翼结构为实践教学对象，为学生详细讲解大型运输机中央翼盒及其与机翼和机身的连接结构特征，使学生深刻理解课堂教学所讲授的中央翼盒结构对平衡和承受对称载荷与反对称载荷的重要作用；通过实物和三维虚拟样件的近距离观察，学生可分析大型运输机中央翼盒的主要和次要结构特征，画出主要载荷传力路径；利用三维虚拟样件可细节放大展示的功能，学生可以细致观察和分析大型运输机中央翼盒与机翼和机身的接头，完成典型中央翼结构的受力分析和初步强度校核。

2.前机身结构实物与三维虚拟样件教学。以某一飞机前机身结构为实践教学对象，为学生详细讲解战机前机身大开口及驾驶舱、起落架舱等结构特征和功能要求；通过实物和三维虚拟样件的近距离观察，学生深入了解课堂教学所讲授的含驾驶舱、起落架舱、进气道的前机身结构的设计要素；利用三维虚拟样件可三维旋转展示的功能，使学生全方位观察和分析歼-6飞机前机身结构的载荷传递和分配方式，掌握前机身大开口区域的结构补强设计原则，完成典型前机身结构的受力分析和初步强度校核。

3.球面框结构实物与三维虚拟样件教学。以某民机球面框结构为实践教学对象，为学生详细讲解大型运输机增压舱尾部及其与后机身连接结构特征；通过实物和三维虚拟样件的近距离观察，学生深刻理解课堂教学所讲授的机身球面框的作用和特殊连接方式；利用三维虚拟样件可隐藏蒙皮、展示内部结构等功能，使学生更加清晰地观察运-10客机球面框及其与后机身连接的内部细节结构，掌握增压舱尾部加强框、球面框、机身壁板之间的连接方式，完成典型增压舱尾部结构的受力分析和初步强度校核。

四、教学成效分析

1.提供了营养丰富的认知体验。学生在“虚拟机库”中发现潜在的设计规律和新颖的机型结构，不仅提高了航空专业学生对所学航空知识的认知和收获感，还让学生在身临其境的虚拟样件演示教学环节中领悟了飞机设计的丰富内涵。

2.开启了“学习经典”的样板空间。在所展示的飞机典型结构电子样件上下足功夫，力求所选取的虚拟样件具有经典代表性，最大限度地激发学生学习专业知识的动力，让学生从重温经典中体会飞机设计的魅力所在和我国航空工业的发展历程。

3.构建了与时俱进的知识体系。跟踪学科前沿和最新研究成果，更新和开发最先进的飞机结构虚拟展示样件，积极引导学生拓宽视野、打破固有的思维定式，激发学生自主学习新知识的兴趣和原始创新能力。

结语

本文以虚拟仿真实验教学课程建设要求和航空人才培养需求为出发点，通过对机库中大型飞机结构部件和小型典型结构样件开展三维激光扫描、逆向建模和可视化演示等数字化处理，增加了现役和未来民用飞机的典型结构虚拟样件，构建了教学用飞机结构数字化展示（虚拟机库）平台，为航空专业学生提供了营养丰富的认知体验、开启了学习经典的样板空间、构建了与时俱进的知识体系，取得了实践育人、科研育人和思想政治育人的显著教学效果，期望能够为航空专业虚拟仿真实验教学课程建设和高层次人才培养体系建设提供有价值的方法和技术参考。