劉 洋 張 生 呂天波

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 通用技術(shù)研究中心 沈陽(yáng)110015）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性核查一般包括可達(dá)性、互換性與標(biāo)準(zhǔn)化、防差錯(cuò)與識(shí)別標(biāo)志、維修安全、檢測(cè)診斷、零部件可修復(fù)性、減少維修內(nèi)容、降低維修技能要求等方面。在既往的實(shí)踐中，由于缺乏相應(yīng)的虛擬仿真技術(shù)為支撐，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維修性核查工作一直根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或在產(chǎn)品樣機(jī)裝配后開(kāi)展，一方面增加了設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)，另一方面當(dāng)遇到結(jié)構(gòu)不滿足維護(hù)要求時(shí)需重新設(shè)計(jì)，進(jìn)而延長(zhǎng)產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)周期，極大限制了我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的快速發(fā)展。本文針對(duì)目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)核查技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出并明確了發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬核查主要內(nèi)容，設(shè)計(jì)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬核查具體方法。以某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)某“作動(dòng)筒”的維護(hù)口蓋核查為例，分析并驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的虛擬核查方法的可行性，其研究成果將完善現(xiàn)有的航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性設(shè)計(jì)方法，對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)維修性設(shè)計(jì)的可靠性與準(zhǔn)確性、縮短維修周期具有重要的工程意義。

1 虛擬核查技術(shù)現(xiàn)狀

依據(jù)最新版的 GJB368B-2009《裝備維修性工作通用要求》，在維修性試驗(yàn)與評(píng)定內(nèi)容中，新增了維修性核查（工作項(xiàng)目401），目的是檢查與修正維修性分析與驗(yàn)證所用的模型及數(shù)據(jù)，鑒別設(shè)計(jì)缺陷，以便采取糾正措施，實(shí)現(xiàn)維修性的持續(xù)增長(zhǎng)。該標(biāo)準(zhǔn)明確指出，可利用產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)，開(kāi)展虛擬仿真核查產(chǎn)品的維修性要求。

維修性虛擬核查在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期開(kāi)展，通過(guò)對(duì)數(shù)字樣機(jī)維修性核查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)產(chǎn)品的維修性設(shè)計(jì)問(wèn)題，盡量做到將維修性問(wèn)題封閉在設(shè)計(jì)階段。隨著虛擬仿真技術(shù)的高速發(fā)展，誕生了許多虛擬仿真軟件，主要包括西門子公司的 JACK軟件，達(dá)索公司DELMIA軟件、3DVIA Composer軟件等。該類軟件強(qiáng)大的仿真功能，以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的全面應(yīng)用，為開(kāi)展維修性虛擬核查奠定了基礎(chǔ)。

2 虛擬核查流程

虛擬核查主要包括確定核查要求、明確主要核查內(nèi)容、選擇虛擬仿真軟件、模型輕量化以及核查流程幾個(gè)方面。

2.1 確定核查要求

實(shí)際工作中并非所有使用中需拆卸的零件、附件都要開(kāi)展維修性虛擬核查。開(kāi)展虛擬核查的結(jié)構(gòu)主要包括周圍環(huán)境復(fù)雜無(wú)法根據(jù)數(shù)字樣機(jī)直觀判斷或維護(hù)操作頻繁的零件、附件，如周邊管路線路密集，或遠(yuǎn)離維護(hù)口蓋，或口蓋規(guī)格較小的零件、附件等。此類零件、附件需根據(jù)具體維修任務(wù)要求開(kāi)展維修性虛擬核查工作。因而，虛擬核查方法的首要任務(wù)是確定核查對(duì)象，明確核查任務(wù)清單。發(fā)動(dòng)機(jī)上主要核查對(duì)象為外場(chǎng)可更換單元（簡(jiǎn)稱LRU），文中以LRU為對(duì)象設(shè)計(jì)維修性虛擬核查方法。

2.2 明確主要核查內(nèi)容

維修性虛擬核查可分為“靜態(tài)分析”和“動(dòng)態(tài)分析”兩種[1]，內(nèi)容如下。

1）靜態(tài)分析

沒(méi)有虛擬人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，以數(shù)字樣機(jī)自身間距運(yùn)算和運(yùn)動(dòng)碰撞運(yùn)算（計(jì)算在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否有相互碰撞）為主，可以加入固定操作姿態(tài)的虛擬人來(lái)分析操作空間是否具有良好的可達(dá)性[2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)核查的靜態(tài)分析主要包括以下內(nèi)容：

（1）間距分析。計(jì)算LRU及其固定螺栓等部件與周圍環(huán)境部件的最小間距，判斷周邊空間是否滿足拆裝要求。

（2）運(yùn)動(dòng)碰撞分析。分析LRU在拆裝的過(guò)程中，是否與其它部件發(fā)生碰撞，判斷周邊空間是否滿足拆裝要求。

（3）虛擬人姿態(tài)分析。設(shè)置虛擬人的操作姿態(tài)，生成可視區(qū)域和可達(dá)區(qū)域包絡(luò)面，判斷LRU及其固定螺栓等部件是否可視或可達(dá)，是否有足夠的操作空間[3]。

2）動(dòng)態(tài)分析

通過(guò)制作虛擬人的維修演示過(guò)程來(lái)仿真零件/附件的拆裝，并在仿真過(guò)程中檢驗(yàn)拆裝工藝是否合理、工具是否適用、是否有足夠的操作空間，以及虛擬人運(yùn)動(dòng)的舒適度評(píng)價(jià)分析。

基于目前的技術(shù)條件，維修性虛擬核查應(yīng)在實(shí)踐中以靜態(tài)分析為主，以動(dòng)態(tài)分析為輔。

2.3 選擇虛擬仿真軟件

1）3DVIA Composer軟件

3DVIA Composer軟件可以幫助非CAD用戶可直接從 3D CAD數(shù)據(jù)創(chuàng)建 2D和 3D的 3DVIA Composer產(chǎn)品文檔，并通過(guò)軟件中的工具，實(shí)現(xiàn)文檔編制、客戶服務(wù)、培訓(xùn)支持以及制造方面的虛擬現(xiàn)實(shí)化，還可以通過(guò)3D動(dòng)畫(huà)和創(chuàng)建交互產(chǎn)品文檔來(lái)更好的傳達(dá)產(chǎn)品信息。利用其功能，主要是實(shí)現(xiàn)間距分析和運(yùn)動(dòng)碰撞分析。

2）JACK軟件

JACK軟件是一款目前公認(rèn)較成功的人體仿真模型與工效評(píng)估軟件，軟件提供了簡(jiǎn)潔的人體幾何模型，方便直觀的用戶界面，完整的人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，有效的作業(yè)姿勢(shì)控制及運(yùn)動(dòng)仿真，以及利用自然語(yǔ)言對(duì)任務(wù)環(huán)境下作業(yè)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)的說(shuō)明及操作控制能力[4]。同時(shí)，JACK提供了與虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的接口，可以通過(guò)外部設(shè)備直接驅(qū)動(dòng)虛擬人體模型，導(dǎo)入多種文件格式的三維虛擬模型，具有良好的兼容性。利用其功能，主要是實(shí)現(xiàn)虛擬人姿態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析[5]。

除了上述軟件，還有法國(guó)達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的DELMIA軟件也可以實(shí)現(xiàn)所有功能。技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)模型的制作軟件選用適用的仿真軟件。如果用CATIA軟件制作模型，建議使用DELMIA軟件進(jìn)行仿真，兩者都為達(dá)索公司開(kāi)發(fā)，兼容性較好[6]。如果用NX UG軟件制作模型，建議使用JACK軟件進(jìn)行仿真，兩者都為西門子公司開(kāi)發(fā)，兼容性較好。3DVIA Composer軟件是達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字文檔編輯軟件，不僅綜合功能強(qiáng)大，而且兼容各種主流模型制作軟件。

綜上，本文選用3DVIA Composer軟件實(shí)現(xiàn)間距分析和運(yùn)動(dòng)碰撞分析，選用JACK軟件實(shí)現(xiàn)虛擬人姿態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。

2.4 模型輕量化

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件數(shù)量巨大，仿真軟件導(dǎo)入的模型多、效率低，容易出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)現(xiàn)象。應(yīng)用模型輕量化技術(shù)從多量級(jí)、輕量化模型生成和復(fù)雜場(chǎng)景的分層級(jí)拆裝兩方面對(duì)模型進(jìn)行處理，能夠降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的性能要求[7]，提高維修性虛擬核查效率。

1）多量級(jí)輕量化模型生成

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬核查仿真過(guò)程中，各零部件的功能作用不同，對(duì)其模型信息的要求也不同，可以將參與仿真的模型劃分為原始模型、高級(jí)輕量化模型、低級(jí)輕量化模型3個(gè)量級(jí)。

（1）原始模型是指包含零部件完整信息的模型，如進(jìn)行間距分析時(shí)，可采用原始模型。

（2）高級(jí)輕量化模型為僅包含模型實(shí)體信息的輕量化模型，如僅僅作為仿真環(huán)境的零件模型，只用于檢查與活動(dòng)零件是否存在碰撞，采用僅包含實(shí)體信息的輕量化模型。

（3）低級(jí)輕量化模型為簡(jiǎn)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，僅保留外部輪廓實(shí)體信息的零件模型，如在仿真過(guò)程中組建內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)仿真過(guò)程影響不大，僅需要組件大致輪廓信息，故可以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，去除內(nèi)部零件實(shí)體信息，僅保留零部件的裝配信息。

2）復(fù)雜場(chǎng)景的分層級(jí)拆裝

分層級(jí)拆裝實(shí)質(zhì)是將一個(gè)復(fù)雜場(chǎng)景拆裝為幾個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，然后再進(jìn)行仿真，降低了復(fù)雜場(chǎng)景對(duì)計(jì)算機(jī)硬件性能的要求。產(chǎn)品的裝配層次可分為：組件裝配、部件裝配、產(chǎn)品整體裝配。對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景可劃分為組件場(chǎng)景、產(chǎn)品整體場(chǎng)景。組件場(chǎng)景完成零件/部件到組件的拆裝仿真，產(chǎn)品整體場(chǎng)景完成部件、組合件及零件到產(chǎn)品整體的拆裝仿真。

2.5 按維修級(jí)別核查

維修場(chǎng)地不同，存在拆裝手段甚至工藝不同，單次核查無(wú)法保證所有維修場(chǎng)景的維護(hù)要求。結(jié)合維修級(jí)別，制定不同級(jí)別的仿真方案。維修級(jí)別包括基層級(jí)（軍隊(duì)）、中繼級(jí)（修理廠）、基地級(jí)（制造廠）。復(fù)雜裝配場(chǎng)景依據(jù)裝配工藝方案，將裝配工位拆分不同的裝配場(chǎng)景，再進(jìn)行裝配仿真。在不同維修級(jí)別下開(kāi)展維修性虛擬核查工作，才能更有效地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)使用，驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)拆裝可行性。

2.6 核查流程

維修性虛擬核查流程如圖1所示，具體內(nèi)容如下：

（1）確定核查對(duì)象(LRU)，明確具體的核查任務(wù)清單；

（2）根據(jù)核查任務(wù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中添加數(shù)字樣機(jī)模型，主要是核查對(duì)象、周圍部件、相關(guān)管線、機(jī)體結(jié)構(gòu)、工具設(shè)備等；

（3）根據(jù)前期準(zhǔn)備，明確核查內(nèi)容，包括間距分析、運(yùn)動(dòng)碰撞分析、虛擬人姿態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析；

（4）建立虛擬工作場(chǎng)景，主要是數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、加載相關(guān)數(shù)字樣機(jī)、保證裝配關(guān)系；

（5）根據(jù)選用的具體核查方法，應(yīng)用對(duì)應(yīng)的虛擬仿真軟件進(jìn)行仿真；

（6）最后判定仿真結(jié)果是否滿足維修性要求，如果滿足給出合格結(jié)論，如果不滿足需要?jiǎng)t對(duì)相應(yīng)內(nèi)容給出改進(jìn)建議。

圖1 維修性核查流程圖

3 虛擬核查實(shí)例

針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)某“作動(dòng)筒”維護(hù)口蓋開(kāi)展虛擬核查工作，并驗(yàn)證所設(shè)計(jì)方法的可行性。

3.1 前期準(zhǔn)備

該型發(fā)動(dòng)機(jī)在使用維護(hù)設(shè)計(jì)中要求該“作動(dòng)筒”滿足原位拆裝。飛發(fā)協(xié)調(diào)后，計(jì)劃在“作動(dòng)筒”上方200 mm的飛機(jī)短艙包絡(luò)面上設(shè)計(jì)一個(gè)150 mm×150 mm的方形維護(hù)口蓋，要求發(fā)動(dòng)機(jī)維修性設(shè)計(jì)人員核查該給定口蓋是否滿足維護(hù)要求。拆卸零件爆炸圖如圖2所示。

1）確定核查對(duì)象任務(wù)

核查對(duì)象包含圖2中“作動(dòng)筒”以及維護(hù)口蓋。任務(wù)內(nèi)容包含首先通過(guò)口蓋斷開(kāi)與“作動(dòng)筒”連接的管接頭、電纜接頭，其次通過(guò)口蓋取下兩邊銷釘，最后通過(guò)口蓋取出“作動(dòng)筒”。

圖2 拆卸零件爆炸圖

2）選取數(shù)字樣機(jī)

仿真的數(shù)字樣機(jī)模型包括：

（1）“作動(dòng)筒”模型；（2）與“作動(dòng)筒”連接的管接頭和電纜接頭模型；（3）“作動(dòng)筒”的固定銷釘模型；（4）設(shè)計(jì)的維護(hù)口蓋模型；（5）開(kāi)口扳手模型。

3.2 明確核查內(nèi)容

（1）間距分析，計(jì)算管接頭、電纜接頭以及兩個(gè)銷釘與安裝支架之間的間隙，判斷螺釘是否有空間拆卸。

（2）運(yùn)動(dòng)碰撞分析，在碰撞仿真狀態(tài)，判斷“作動(dòng)筒”拆卸空間是否足夠，通過(guò)口蓋取出過(guò)程有無(wú)碰撞。

（3）人體姿態(tài)分析，進(jìn)行可視區(qū)域仿真，判斷通過(guò)口蓋“作動(dòng)筒”及各拆卸點(diǎn)是否可視。

（4）動(dòng)態(tài)分析，制作虛擬人整個(gè)作動(dòng)筒拆裝過(guò)程，確認(rèn)“作動(dòng)筒”可拆卸，生成過(guò)程視頻培訓(xùn)使用。

3.3 開(kāi)展虛擬仿真

1）間距分析

（1）設(shè)計(jì)要求兩個(gè)管接頭與支架最小間距測(cè)量都大于15 mm，從圖3（a）中可看出分析的間距滿足要求；

（2）設(shè)計(jì)要求銷釘頭端面與支架端面距離大于銷釘長(zhǎng)度27.5 mm，從圖3（b）中可看出分析的間距為31.2 mm，滿足要求。

圖3 間距測(cè)量圖

2）運(yùn)動(dòng)碰撞分析

在碰撞仿真狀態(tài)，直接取出作動(dòng)筒時(shí)會(huì)碰撞口蓋，動(dòng)作停止并且碰撞物顏色變藍(lán)，將作動(dòng)筒傾斜后，可以不碰撞口蓋拿出（見(jiàn)圖4）?？梢耘袛鄡?nèi)部有足夠空間將“作動(dòng)筒”取出。

圖4 碰撞分析圖

3）人體姿態(tài)分析

進(jìn)行可視區(qū)域核查，如圖5所示，通過(guò)給定口蓋的可視區(qū)域?yàn)樽仙鎯?nèi)部區(qū)域，可看出所有拆卸點(diǎn)都在包絡(luò)面范圍內(nèi)，即拆卸點(diǎn)都可視。

4）動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)之前仿真結(jié)果，制作虛擬人拆卸各個(gè)零件的操作過(guò)程，如圖6所示，確定作動(dòng)筒拆卸過(guò)程有足夠的操作空間，各連接接頭及固定銷釘?shù)某叽绾臀恢迷O(shè)計(jì)合理。

圖6 操作空間仿真圖

3.4 核查結(jié)果

設(shè)計(jì)的維護(hù)口蓋能滿足“作動(dòng)筒”原位拆裝要求，各連接接頭及固定銷釘?shù)某叽绾臀恢迷O(shè)計(jì)合理，滿足維修性要求。注意事項(xiàng)如下：

(1)拆“作動(dòng)筒”的銷釘空間較小，需緩慢進(jìn)行，預(yù)防銷釘?shù)袈洹?/p>

(2)開(kāi)口扳手長(zhǎng)度要小于160 mm，否則容易碰撞到短艙內(nèi)壁。

(3)各連接點(diǎn)拆下后“作動(dòng)筒”無(wú)法直接拿出，需旋轉(zhuǎn)至連桿口緩慢拿出，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中空間較小，避免碰撞固定支架和短艙壁面。

4 虛擬核查技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

本文研究工作結(jié)果表明，虛擬核查設(shè)計(jì)方法在航空發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)核查技術(shù)領(lǐng)域具有較好的發(fā)展空間。目前，高端制造企業(yè)逐漸開(kāi)始應(yīng)用多視點(diǎn)沉浸式數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)審或后期培訓(xùn)，該技術(shù)為追求更真實(shí)的仿真效果，將傳感器與數(shù)模相互結(jié)合，操作者可以佩戴便攜式視聽(tīng)設(shè)備，但不足之處在于精準(zhǔn)度有待改進(jìn)。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)這種維護(hù)空間緊湊的產(chǎn)品，仿真維護(hù)動(dòng)作精度要求高，如何改進(jìn)多視點(diǎn)沉浸式數(shù)字樣機(jī)技術(shù)以及碰撞物理引擎，以提高計(jì)算準(zhǔn)確度和速度是今后虛擬核查技術(shù)領(lǐng)域需要解決的重要問(wèn)題。

目前虛擬維修性核查主要為定性核查，隨著沉浸式、交互式技術(shù)的發(fā)展，半定量及定量核查也將成為未來(lái)虛擬核查的發(fā)展方向。如何滿足更真實(shí)、準(zhǔn)確地核查維修性要求，也是未來(lái)虛擬核查方法改進(jìn)和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于維修性虛擬核查技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性要求與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性虛擬核查的方法，對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)”作動(dòng)筒”維護(hù)口蓋虛擬核查分析表明，所設(shè)計(jì)的虛擬核查方法準(zhǔn)確、可行。

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