婁依志, 周永平, 申 亮, 費(fèi)王華

(1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心, 北京 100076; 2.空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100076; 3.北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076)

虛擬裝配技術(shù)在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用研究*

婁依志1, 周永平2,3, 申 亮1, 費(fèi)王華1

(1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心, 北京 100076; 2.空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100076; 3.北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076)

通過分析飛行器結(jié)構(gòu)裝配的特點(diǎn)和難點(diǎn)，在分析虛擬裝配的特征和關(guān)鍵的基礎(chǔ)上，引入虛擬裝配方法，對復(fù)雜飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的虛擬裝配實(shí)施方案進(jìn)行探討和應(yīng)用，并作出與裝配相關(guān)的工程決策，可以有效地提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量和速度，能夠有效地減少設(shè)計(jì)過程中由于裝配而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)反復(fù)。

飛行器 虛擬裝配 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Abstract: By analyzing the characteristics and difficulties of assembly of aircraft structure, and analyzing the characteristics and the key of virtual assembly, the method of virtual assembly is introduced. The implementation plan of virtual assembly for complex missile structure is focused on, and engineering decision related to virtual assembly is made , which can effectively improve reduce design error by assembly in product design.

Key words: aircraft; virtual assembly; structure design

0 引 言

裝配是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的最終環(huán)節(jié)，并且也是最重要的環(huán)節(jié)之一，產(chǎn)品的可裝配性直接影響開發(fā)成本和開發(fā)周期，對產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性的作用，因此裝配設(shè)計(jì)是產(chǎn)品開發(fā)的重要步驟之一。

實(shí)際裝配過程中，通常是以力為作用條件，實(shí)現(xiàn)零部件的抓取、移動、裝配等操作過程。產(chǎn)品實(shí)物模裝一直是飛行器如火箭、導(dǎo)彈等結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)的重要檢驗(yàn)方法，然而，實(shí)物模裝不僅需要生產(chǎn)一整套產(chǎn)品，還需要投入大量的研制經(jīng)費(fèi)，另外還需要對各系統(tǒng)、各廠家進(jìn)行協(xié)調(diào)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)曾推動了裝配技術(shù)的發(fā)展，能使工程師看到產(chǎn)品的最后模型。但CAD 技術(shù)不支持裝配過程的可視化或裝配工藝的規(guī)劃，仍需要實(shí)物樣品來驗(yàn)證產(chǎn)品的裝配過程，大大增加了產(chǎn)品的開發(fā)成本，延長了產(chǎn)品開發(fā)周期[1-2]。

虛擬現(xiàn)實(shí)通過模擬人的視覺、聽覺、觸覺、力覺、運(yùn)動感，使人處于一種與真實(shí)世界非常逼真的虛擬世界中，來感受、體驗(yàn)和評價(jià)虛擬世界中的產(chǎn)品，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以使得虛擬裝配在逼真的虛擬世界中進(jìn)行,虛擬裝配技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造業(yè)的典型應(yīng)用，也是虛擬制造技術(shù)研究的重要方向之一。這種技術(shù)可以降低復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行開發(fā)[3-4]。

1 虛擬裝配技術(shù)

虛擬裝配是指在沒有實(shí)際產(chǎn)品或者物理過程支持的情況下，運(yùn)用計(jì)算機(jī)分析、預(yù)測模型，用數(shù)據(jù)表達(dá)，輔以可視化，作出與裝配相關(guān)的工程決策。

目前， 以Pro/E為代表的商用CAD系統(tǒng)中的產(chǎn)品裝配建模過程典型表現(xiàn)為，設(shè)計(jì)者交互指定零件問的配合約束關(guān)系，確定零件在裝配體中的位置，通過坐標(biāo)變換將零件定位到裝配定位點(diǎn)。這種基于坐標(biāo)變換的裝配建模，實(shí)質(zhì)上是一種面向結(jié)果的裝配設(shè)計(jì)方式。設(shè)計(jì)者關(guān)注的只是零件問的裝配約束關(guān)系及裝配體的最終狀態(tài)， 缺乏對裝配約束施加過程、裝配順序與裝配路徑等裝配中問過程的考慮，不符合設(shè)計(jì)者思維特性，與實(shí)際的裝配過程并不直接相關(guān)。因此，設(shè)計(jì)者在面向結(jié)果的裝配建模過程中難以確保產(chǎn)品的可裝配性，仍需通過制作實(shí)物樣機(jī)來驗(yàn)證產(chǎn)品裝配建模的結(jié)果[5-6]。

虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)包括零部件建模、裝配建模技術(shù)、約束定位技術(shù)和工藝規(guī)劃技術(shù)，是開發(fā)虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)的必須解決的重要共性技術(shù)。

(1) 零部件建模。零部件建模技術(shù)從虛擬裝配技術(shù)發(fā)展以來一直是研究的重點(diǎn)?，F(xiàn)一般采用常規(guī)三維CAD 軟件進(jìn)行產(chǎn)品的建模。有人提出了將虛擬裝配中的產(chǎn)品屬性和行為信息分為產(chǎn)品層、顯示層、特征層和幾何拓?fù)鋵铀膫€(gè)層次，通過產(chǎn)品層次信息模型中的數(shù)據(jù)和約束映射，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息層次間的關(guān)聯(lián)。

(2) 裝配建模技術(shù)。對產(chǎn)品裝配模型的研究，國外學(xué)者提出了圖結(jié)構(gòu)模型、樹表達(dá)的層次結(jié)構(gòu)模型和基于虛鏈結(jié)構(gòu)的混合模型，這些模型對裝配體靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述。圖結(jié)構(gòu)模型是用圖描述裝配體中各種不同實(shí)體間的相互關(guān)系，其特點(diǎn)是關(guān)系表達(dá)較直觀，但與產(chǎn)品的實(shí)際結(jié)構(gòu)不一致，不能表達(dá)零件間的層次關(guān)系。層次模型是根據(jù)零部件的層次關(guān)系以樹的形式表達(dá)裝配并組織產(chǎn)品，能體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，但各零件之間的裝配關(guān)系的描述不夠直觀。

(3) 約束定位技術(shù)。虛擬裝配環(huán)境與現(xiàn)實(shí)裝配環(huán)境相比，最主要的就是缺少各種物理約束和感知能力，而只能依靠幾何約束對零件進(jìn)行定位。

(4) 工藝規(guī)劃技術(shù)。設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行試裝， 規(guī)劃零部件裝配順序，記錄并分析裝配路徑，選擇工裝夾具并確定裝配操作方法，從而得到經(jīng)濟(jì)適用的裝配方案。

2 復(fù)雜飛行器虛擬裝配的開發(fā)和使用

飛行器設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科協(xié)同、反復(fù)迭代、逐次逼近的過程。飛行器的論證和方案階段雖然只占總研制工作量或費(fèi)用的20%～30%，但對設(shè)計(jì)方案的技術(shù)可行程度卻占70%～80%。

飛行器結(jié)構(gòu)的作用是把各分系統(tǒng)，如有效載荷、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等連成一個(gè)整體，為它們提供可靠的工作環(huán)境，并承受地面操作和飛行中的外力。

飛行器構(gòu)成復(fù)雜，除結(jié)構(gòu)和動力裝置外，還包括控制、通訊、電源、導(dǎo)航等系統(tǒng)；組成零部件多，這使得方案階段的總體布置不僅工作量大，而且受到結(jié)構(gòu)空間的限制和多學(xué)科耦合的影響，系統(tǒng)設(shè)備的布置空間十分緊張；同時(shí)，總體布置中還要考慮可裝配性、維修性、測試性等要求。為避免設(shè)計(jì)缺陷向下游傳遞，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷就顯得十分重要和迫切。

使用虛擬裝配在飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和儀器設(shè)備，在方案階段和設(shè)計(jì)階段就能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品裝配、系統(tǒng)/設(shè)備布置等方面存在的問題，盡可能地避免設(shè)計(jì)缺陷，能夠使得產(chǎn)品研制成本和周期大大的降低。

2.1 飛行器裝配間隙檢測和分析

飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要工作是儀器設(shè)備布置和安裝，是根據(jù)設(shè)計(jì)、工藝和使用等技術(shù)要求，協(xié)調(diào)飛行器結(jié)構(gòu)與各分系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)空間、相對位置、連接關(guān)系，以及與地面設(shè)備的接口形式和操作部位，保證各系統(tǒng)在不同的使用環(huán)境條件下協(xié)調(diào)動作、工作正常和安全可靠。間隙檢測和分析是虛擬裝配設(shè)計(jì)中所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是否可裝配、所規(guī)劃的路徑是否安全可達(dá)、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是否正確合理的判斷依據(jù)之一，也是虛擬裝配中比較重要的一個(gè)研究內(nèi)容。間隙檢測一般包括靜態(tài)間隙檢測和動態(tài)間隙檢測。

間隙檢測檢查是指在虛擬裝配環(huán)境下，檢查裝配體的各零部件之間的相對位置關(guān)系是否存在干涉，裝配公差設(shè)計(jì)是否合理；對飛行器儀器設(shè)備布置和安裝進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，并且根據(jù)設(shè)計(jì)、工藝和使用等技術(shù)要求，使得飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在符合不同的使用環(huán)境條件符合各系統(tǒng)功能和性能要求。

動態(tài)間隙檢測檢查是裝配的零部件在裝配運(yùn)動過程中(包括拆卸過程)，其運(yùn)動包絡(luò)體是否存在零部件之間的運(yùn)動干涉。動態(tài)干涉檢查包括運(yùn)動干涉檢查和運(yùn)動機(jī)構(gòu)仿真，保證飛行器的運(yùn)動機(jī)構(gòu)件工作時(shí)不與周圍零部件發(fā)生碰撞干涉，即產(chǎn)品的運(yùn)動構(gòu)件能夠可靠地工作。

2.2 裝配可達(dá)性分析

對于飛行器進(jìn)行虛擬裝配規(guī)劃時(shí)，裝配人員的作業(yè)域是要考慮的一個(gè)重要方面。設(shè)計(jì)者必須事先確定裝配操作的工作空間和工作范圍，而裝配空間是指裝配操作人員在固定的裝配工位上，在空間內(nèi)能夠觸及到的點(diǎn)的總和。在虛擬裝配規(guī)劃的同時(shí)計(jì)算可操作域，可以計(jì)算出那些產(chǎn)品那些零部件處于可操作域之外，這樣對于可操作域之外的零部件，在進(jìn)行差評裝配序列與路徑規(guī)劃時(shí)優(yōu)先考慮，通過分解裝配、附加設(shè)施等額外措施來解決作業(yè)域外的零部件。如遇無法解決裝配的零部件則可以直接反饋給設(shè)計(jì)，重新考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)，避免實(shí)際裝配中出現(xiàn)不可裝配的問題。如圖1所示在安裝設(shè)備時(shí)，如果人的手不可操作則應(yīng)考慮增加輔助工裝或者更改設(shè)計(jì)。

圖1 裝配可達(dá)性分析

在飛行器的早期設(shè)計(jì)階段尤其是方案階段，進(jìn)行虛擬裝配的可行性分析，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)者在進(jìn)行規(guī)劃時(shí)考慮到可操作性的因素，減少輔助工裝的使用，避免出現(xiàn)難以裝配的設(shè)計(jì)缺陷，從而提高裝配規(guī)劃的效率，即時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤。

2.3 人機(jī)工效分析

儀器設(shè)備布局中注意薄壁結(jié)構(gòu)承、傳、擴(kuò)散力的特點(diǎn)，使得傳力路線最短，并應(yīng)注意布局的對稱性，減少質(zhì)心橫向偏移。飛行器儀器布置與地面設(shè)備布置相結(jié)合，合理選擇接口部位，簡化設(shè)備，便于操作。

從工效分析的流程圖可看出，運(yùn)動仿真很重要，其可以模擬該部件安裝是否在使用，如圖2所示。

從工效分析的流程圖可看出，運(yùn)動仿真很重要，它是很多工效分析的基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，國內(nèi)在人體動態(tài)仿真方面有基于標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)姿勢庫的動態(tài)仿真方法和基于基動作的動態(tài)仿真方法兩種現(xiàn)行的方法。在實(shí)際運(yùn)用中兩種方法經(jīng)常結(jié)合使用。

圖2 人機(jī)工效分析流程圖

圖3 虛擬裝配的舒 適性分析

飛行器由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)狹小，需要裝配的零部件多等現(xiàn)實(shí)條件的多種約束，需對其進(jìn)行人工效能分析，其目的是人、對象及環(huán)境之間復(fù)雜關(guān)系進(jìn)行安全模擬，如圖3所示。

圖3所示操作人員位于設(shè)備內(nèi)部，進(jìn)行部段連接時(shí)，支持位置不確定，若踩在結(jié)構(gòu)框架上，姿態(tài)不舒適，則需要重新設(shè)計(jì)框架或者相關(guān)工裝。同時(shí)通過視域模塊，可判斷其設(shè)備是否在視覺的可視范圍之內(nèi)。

3 結(jié) 語

裝配是產(chǎn)品生命周期中的重要環(huán)節(jié)，與一般的機(jī)械產(chǎn)品相比，飛行器的零部件數(shù)目多、空間少、裝配過程輔助。虛擬裝配技術(shù)能夠減少物理樣機(jī)和實(shí)物樣機(jī)的數(shù)量，在飛行器的設(shè)計(jì)和實(shí)物裝配之前，通過虛擬裝配過程仿真，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)存在的問題，有效地減少實(shí)際裝配中缺陷和產(chǎn)品的故障率，減少因裝配干涉等問題而進(jìn)行的重新設(shè)計(jì)和工程更改，所以通過虛擬裝配能夠保證產(chǎn)品裝配質(zhì)量。在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對飛行器產(chǎn)品的裝配仿真，對于預(yù)先發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、降低設(shè)計(jì)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

[1] 趙麗娟，李世旭，胡建華,等.虛擬樣機(jī)技術(shù)中虛擬裝配實(shí)現(xiàn)研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2007(2):25-26.

[2] 陳國華，程本松，楊 敏.基于CARIA的機(jī)械零件虛擬裝配方法[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2007(2):15-16.

[3] Yuan X B,Yang S X.Virtual Assembly with Biologically Inspired Intelligence[R].IEEE Transactions on Systems,Man, and Cybermetics Part C:Applications and Reviews,2003.

[4] 萬華根.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的CAD技術(shù)研究[D].杭州:浙江大學(xué),1999.

[5] 陶 燚，賀成柱，金建國,等.基于EON studio 的馬鈴薯覆膜機(jī)的虛擬裝配技術(shù)研究 [J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用,2007(1):93-94.

[6] 李建廣,夏平均.虛擬裝配技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].航空制造技術(shù),2010(3):26-30.

Research on Application of Virtual Assembly Technology in Aircraft Structure Design

LOU Yi-zhi1, ZHOU Yong-ping2,3, SHEN Liang1, FEI Wang-hua1

(1.R&DCenter,ChineseAcademyofLaunchVehicleTechnology,Beijing100076,China; 2.KeyLaboratoryofSpacePhysics,Beijing100076,China; 3.BeijingInstitueofNearSpacecraftSystemEngineering,Beijing100076,China)

2014-06-24

婁依志(1979-)，男，浙江臨海人，高級工程師，博士，研究方向：飛行器設(shè)計(jì)。

TG95

A

1007-4414(2014)04-0125-03