劉 洋 張 生 呂天波

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所 通用技術(shù)研究中心 沈陽110015）

航空發(fā)動機維修性核查一般包括可達性、互換性與標準化、防差錯與識別標志、維修安全、檢測診斷、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)動機的維修性核查工作一直根據(jù)經(jīng)驗或在產(chǎn)品樣機裝配后開展，一方面增加了設(shè)計經(jīng)費，另一方面當遇到結(jié)構(gòu)不滿足維護要求時需重新設(shè)計，進而延長產(chǎn)品整體設(shè)計周期，極大限制了我國航空發(fā)動機的快速發(fā)展。本文針對目前航空發(fā)動機核查技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出并明確了發(fā)動機虛擬核查主要內(nèi)容，設(shè)計了航空發(fā)動機虛擬核查具體方法。以某型號航空發(fā)動機某“作動筒”的維護口蓋核查為例，分析并驗證所設(shè)計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)動機維修性設(shè)計方法，對于提高發(fā)動機維修性設(shè)計的可靠性與準確性、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》，在維修性試驗與評定內(nèi)容中，新增了維修性核查（工作項目401），目的是檢查與修正維修性分析與驗證所用的模型及數(shù)據(jù)，鑒別設(shè)計缺陷，以便采取糾正措施，實現(xiàn)維修性的持續(xù)增長。該標準明確指出，可利用產(chǎn)品數(shù)字樣機，開展虛擬仿真核查產(chǎn)品的維修性要求。

維修性虛擬核查在產(chǎn)品設(shè)計早期開展，通過對數(shù)字樣機維修性核查，及時發(fā)現(xiàn)并改進產(chǎn)品的維修性設(shè)計問題，盡量做到將維修性問題封閉在設(shè)計階段。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，達索公司DELMIA軟件、3DVIA Composer軟件等。該類軟件強大的仿真功能，以及航空發(fā)動機數(shù)字樣機技術(shù)的全面應(yīng)用，為開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方面。

2.1 確定核查要求

實際工作中并非所有使用中需拆卸的零件、附件都要開展維修性虛擬核查。開展虛擬核查的結(jié)構(gòu)主要包括周圍環(huán)境復(fù)雜無法根據(jù)數(shù)字樣機直觀判斷或維護操作頻繁的零件、附件，如周邊管路線路密集，或遠離維護口蓋，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)是確定核查對象，明確核查任務(wù)清單。發(fā)動機上主要核查對象為外場可更換單元（簡稱LRU），文中以LRU為對象設(shè)計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“動態(tài)分析”兩種[1]，內(nèi)容如下。

1）靜態(tài)分析

沒有虛擬人的運動過程，以數(shù)字樣機自身間距運算和運動碰撞運算（計算在運動過程中是否有相互碰撞）為主，可以加入固定操作姿態(tài)的虛擬人來分析操作空間是否具有良好的可達性[2]。

發(fā)動機核查的靜態(tài)分析主要包括以下內(nèi)容：

（1）間距分析。計算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）運動碰撞分析。分析LRU在拆裝的過程中，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，是否有足夠的操作空間[3]。

2）動態(tài)分析

通過制作虛擬人的維修演示過程來仿真零件/附件的拆裝，并在仿真過程中檢驗拆裝工藝是否合理、工具是否適用、是否有足夠的操作空間，以及虛擬人運動的舒適度評價分析。

基于目前的技術(shù)條件，維修性虛擬核查應(yīng)在實踐中以靜態(tài)分析為主，以動態(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，并通過軟件中的工具，實現(xiàn)文檔編制、客戶服務(wù)、培訓支持以及制造方面的虛擬現(xiàn)實化，還可以通過3D動畫和創(chuàng)建交互產(chǎn)品文檔來更好的傳達產(chǎn)品信息。利用其功能，主要是實現(xiàn)間距分析和運動碰撞分析。

2）JACK軟件

JACK軟件是一款目前公認較成功的人體仿真模型與工效評估軟件，軟件提供了簡潔的人體幾何模型，方便直觀的用戶界面，完整的人體測量學數(shù)據(jù)庫，有效的作業(yè)姿勢控制及運動仿真，以及利用自然語言對任務(wù)環(huán)境下作業(yè)姿態(tài)和運動的說明及操作控制能力[4]。同時，JACK提供了與虛擬現(xiàn)實設(shè)備的接口，可以通過外部設(shè)備直接驅(qū)動虛擬人體模型，導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，主要是實現(xiàn)虛擬人姿態(tài)分析和動態(tài)分析[5]。

除了上述軟件，還有法國達索公司開發(fā)的DELMIA軟件也可以實現(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軟件進行仿真，兩者都為達索公司開發(fā)，兼容性較好[6]。如果用NX UG軟件制作模型，建議使用JACK軟件進行仿真，兩者都為西門子公司開發(fā)，兼容性較好。3DVIA Composer軟件是達索公司開發(fā)的數(shù)字文檔編輯軟件，不僅綜合功能強大，而且兼容各種主流模型制作軟件。

綜上，本文選用3DVIA Composer軟件實現(xiàn)間距分析和運動碰撞分析，選用JACK軟件實現(xiàn)虛擬人姿態(tài)分析和動態(tài)分析。

2.4 模型輕量化

發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件數(shù)量巨大，仿真軟件導入的模型多、效率低，容易出現(xiàn)報錯現(xiàn)象。應(yīng)用模型輕量化技術(shù)從多量級、輕量化模型生成和復(fù)雜場景的分層級拆裝兩方面對模型進行處理，能夠降低航空發(fā)動機虛擬仿真對計算機硬件的性能要求[7]，提高維修性虛擬核查效率。

1）多量級輕量化模型生成

在進行發(fā)動機虛擬核查仿真過程中，各零部件的功能作用不同，對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、高級輕量化模型、低級輕量化模型3個量級。

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

（2）高級輕量化模型為僅包含模型實體信息的輕量化模型，如僅僅作為仿真環(huán)境的零件模型，只用于檢查與活動零件是否存在碰撞，采用僅包含實體信息的輕量化模型。

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

2）復(fù)雜場景的分層級拆裝

分層級拆裝實質(zhì)是將一個復(fù)雜場景拆裝為幾個簡單的場景，然后再進行仿真，降低了復(fù)雜場景對計算機硬件性能的要求。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。對應(yīng)的場景可劃分為組件場景、產(chǎn)品整體場景。組件場景完成零件/部件到組件的拆裝仿真，產(chǎn)品整體場景完成部件、組合件及零件到產(chǎn)品整體的拆裝仿真。

2.5 按維修級別核查

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

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)庫中添加數(shù)字樣機模型，主要是核查對象、周圍部件、相關(guān)管線、機體結(jié)構(gòu)、工具設(shè)備等；

（3）根據(jù)前期準備，明確核查內(nèi)容，包括間距分析、運動碰撞分析、虛擬人姿態(tài)分析和動態(tài)分析；

（4）建立虛擬工作場景，主要是數(shù)據(jù)簡化、加載相關(guān)數(shù)字樣機、保證裝配關(guān)系；

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

（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，如果不滿足需要則對相應(yīng)內(nèi)容給出改進建議。

圖1 維修性核查流程圖

3 虛擬核查實例

針對某型航空發(fā)動機某“作動筒”維護口蓋開展虛擬核查工作，并驗證所設(shè)計方法的可行性。

3.1 前期準備

該型發(fā)動機在使用維護設(shè)計中要求該“作動筒”滿足原位拆裝。飛發(fā)協(xié)調(diào)后，計劃在“作動筒”上方200 mm的飛機短艙包絡(luò)面上設(shè)計一個150 mm×150 mm的方形維護口蓋，要求發(fā)動機維修性設(shè)計人員核查該給定口蓋是否滿足維護要求。拆卸零件爆炸圖如圖2所示。

1）確定核查對象任務(wù)

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

圖2 拆卸零件爆炸圖

2）選取數(shù)字樣機

仿真的數(shù)字樣機模型包括：

（1）“作動筒”模型；（2）與“作動筒”連接的管接頭和電纜接頭模型；（3）“作動筒”的固定銷釘模型；（4）設(shè)計的維護口蓋模型；（5）開口扳手模型。

3.2 明確核查內(nèi)容

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

（2）運動碰撞分析，在碰撞仿真狀態(tài)，判斷“作動筒”拆卸空間是否足夠，通過口蓋取出過程有無碰撞。

（3）人體姿態(tài)分析，進行可視區(qū)域仿真，判斷通過口蓋“作動筒”及各拆卸點是否可視。

（4）動態(tài)分析，制作虛擬人整個作動筒拆裝過程，確認“作動筒”可拆卸，生成過程視頻培訓使用。

3.3 開展虛擬仿真

1）間距分析

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

（2）設(shè)計要求銷釘頭端面與支架端面距離大于銷釘長度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 間距測量圖

2）運動碰撞分析

在碰撞仿真狀態(tài)，直接取出作動筒時會碰撞口蓋，動作停止并且碰撞物顏色變藍，將作動筒傾斜后，可以不碰撞口蓋拿出（見圖4）。可以判斷內(nèi)部有足夠空間將“作動筒”取出。

圖4 碰撞分析圖

3）人體姿態(tài)分析

進行可視區(qū)域核查，如圖5所示，通過給定口蓋的可視區(qū)域為紫色曲面內(nèi)部區(qū)域，可看出所有拆卸點都在包絡(luò)面范圍內(nèi)，即拆卸點都可視。

4）動態(tài)分析

根據(jù)之前仿真結(jié)果，制作虛擬人拆卸各個零件的操作過程，如圖6所示，確定作動筒拆卸過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)計合理。

圖6 操作空間仿真圖

3.4 核查結(jié)果

設(shè)計的維護口蓋能滿足“作動筒”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)計合理，滿足維修性要求。注意事項如下：

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

(2)開口扳手長度要小于160 mm，否則容易碰撞到短艙內(nèi)壁。

(3)各連接點拆下后“作動筒”無法直接拿出，需旋轉(zhuǎn)至連桿口緩慢拿出，旋轉(zhuǎn)過程中空間較小，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

本文研究工作結(jié)果表明，虛擬核查設(shè)計方法在航空發(fā)動機維護核查技術(shù)領(lǐng)域具有較好的發(fā)展空間。目前，高端制造企業(yè)逐漸開始應(yīng)用多視點沉浸式數(shù)字樣機技術(shù)，用于產(chǎn)品設(shè)計評審或后期培訓，該技術(shù)為追求更真實的仿真效果，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設(shè)備，但不足之處在于精準度有待改進。對于航空發(fā)動機這種維護空間緊湊的產(chǎn)品，仿真維護動作精度要求高，如何改進多視點沉浸式數(shù)字樣機技術(shù)以及碰撞物理引擎，以提高計算準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虛擬核查的發(fā)展方向。如何滿足更真實、準確地核查維修性要求，也是未來虛擬核查方法改進和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

5 結(jié)語

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)動機維修性要求與相關(guān)標準，提出了航空發(fā)動機維修性虛擬核查的方法，對某航空發(fā)動機”作動筒”維護口蓋虛擬核查分析表明，所設(shè)計的虛擬核查方法準確、可行。

[1]翟慶剛,孫華榮,朱凱,等.基于數(shù)字樣機的維修性虛擬核查技術(shù)[C].//中國航空學會青年科技論壇,2012.

[2]陳志英,章袤.人—機—環(huán)境系統(tǒng)工程在維修性設(shè)計中的應(yīng)用[C].//人—機—環(huán)境系統(tǒng)工程創(chuàng)立20周年大會暨全國人—機—環(huán)學術(shù)會議,2009.

[3]鈕建偉.JACK 人因工程基礎(chǔ)及應(yīng)用實例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[4]CHAFFIN D B. Human motion simulation for vehicle and workplace design[J].Human Factors and Ergonomics in Manufacturing, 2007,17(5):475–484.

[5]鞠峰.飛機駕駛艙人機工程設(shè)計研究[D].西安：西北工業(yè)大學,2007.