航空发动机虚拟核查方法及应用研究

刘 洋 张 生 吕天波

（中国航发沈阳发动机研究所 通用技术研究中心 沈阳110015）

航空发动机维修性核查一般包括可达性、互换性与标准化、防差错与识别标志、维修安全、检测诊断、零部件可修复性、减少维修内容、降低维修技能要求等方面。在既往的实践中，由于缺乏相应的虚拟仿真技术为支撑，航空发动机的维修性核查工作一直根据经验或在产品样机装配后开展，一方面增加了设计经费，另一方面当遇到结构不满足维护要求时需重新设计，进而延长产品整体设计周期，极大限制了我国航空发动机的快速发展。本文针对目前航空发动机核查技术发展现状，提出并明确了发动机虚拟核查主要内容，设计了航空发动机虚拟核查具体方法。以某型号航空发动机某“作动筒”的维护口盖核查为例，分析并验证所设计的虚拟核查方法的可行性，其研究成果将完善现有的航空发动机维修性设计方法，对于提高发动机维修性设计的可靠性与准确性、缩短维修周期具有重要的工程意义。

1 虚拟核查技术现状

依据最新版的 GJB368B-2009《装备维修性工作通用要求》，在维修性试验与评定内容中，新增了维修性核查（工作项目401），目的是检查与修正维修性分析与验证所用的模型及数据，鉴别设计缺陷，以便采取纠正措施，实现维修性的持续增长。该标准明确指出，可利用产品数字样机，开展虚拟仿真核查产品的维修性要求。

维修性虚拟核查在产品设计早期开展，通过对数字样机维修性核查，及时发现并改进产品的维修性设计问题，尽量做到将维修性问题封闭在设计阶段。随着虚拟仿真技术的高速发展，诞生了许多虚拟仿真软件，主要包括西门子公司的 JACK软件，达索公司DELMIA软件、3DVIA Composer软件等。该类软件强大的仿真功能，以及航空发动机数字样机技术的全面应用，为开展维修性虚拟核查奠定了基础。

2 虚拟核查流程

虚拟核查主要包括确定核查要求、明确主要核查内容、选择虚拟仿真软件、模型轻量化以及核查流程几个方面。

2.1 确定核查要求

实际工作中并非所有使用中需拆卸的零件、附件都要开展维修性虚拟核查。开展虚拟核查的结构主要包括周围环境复杂无法根据数字样机直观判断或维护操作频繁的零件、附件，如周边管路线路密集，或远离维护口盖，或口盖规格较小的零件、附件等。此类零件、附件需根据具体维修任务要求开展维修性虚拟核查工作。因而，虚拟核查方法的首要任务是确定核查对象，明确核查任务清单。发动机上主要核查对象为外场可更换单元（简称LRU），文中以LRU为对象设计维修性虚拟核查方法。

2.2 明确主要核查内容

维修性虚拟核查可分为“静态分析”和“动态分析”两种[1]，内容如下。

1）静态分析

没有虚拟人的运动过程，以数字样机自身间距运算和运动碰撞运算（计算在运动过程中是否有相互碰撞）为主，可以加入固定操作姿态的虚拟人来分析操作空间是否具有良好的可达性[2]。

发动机核查的静态分析主要包括以下内容：

（1）间距分析。计算LRU及其固定螺栓等部件与周围环境部件的最小间距，判断周边空间是否满足拆装要求。

（2）运动碰撞分析。分析LRU在拆装的过程中，是否与其它部件发生碰撞，判断周边空间是否满足拆装要求。

（3）虚拟人姿态分析。设置虚拟人的操作姿态，生成可视区域和可达区域包络面，判断LRU及其固定螺栓等部件是否可视或可达，是否有足够的操作空间[3]。

2）动态分析

通过制作虚拟人的维修演示过程来仿真零件/附件的拆装，并在仿真过程中检验拆装工艺是否合理、工具是否适用、是否有足够的操作空间，以及虚拟人运动的舒适度评价分析。

基于目前的技术条件，维修性虚拟核查应在实践中以静态分析为主，以动态分析为辅。

2.3 选择虚拟仿真软件

1）3DVIA Composer软件

3DVIA Composer软件可以帮助非CAD用户可直接从 3D CAD数据创建 2D和 3D的 3DVIA Composer产品文档，并通过软件中的工具，实现文档编制、客户服务、培训支持以及制造方面的虚拟现实化，还可以通过3D动画和创建交互产品文档来更好的传达产品信息。利用其功能，主要是实现间距分析和运动碰撞分析。

2）JACK软件

JACK软件是一款目前公认较成功的人体仿真模型与工效评估软件，软件提供了简洁的人体几何模型，方便直观的用户界面，完整的人体测量学数据库，有效的作业姿势控制及运动仿真，以及利用自然语言对任务环境下作业姿态和运动的说明及操作控制能力[4]。同时，JACK提供了与虚拟现实设备的接口，可以通过外部设备直接驱动虚拟人体模型，导入多种文件格式的三维虚拟模型，具有良好的兼容性。利用其功能，主要是实现虚拟人姿态分析和动态分析[5]。

除了上述软件，还有法国达索公司开发的DELMIA软件也可以实现所有功能。技术人员应该根据模型的制作软件选用适用的仿真软件。如果用CATIA软件制作模型，建议使用DELMIA软件进行仿真，两者都为达索公司开发，兼容性较好[6]。如果用NX UG软件制作模型，建议使用JACK软件进行仿真，两者都为西门子公司开发，兼容性较好。3DVIA Composer软件是达索公司开发的数字文档编辑软件，不仅综合功能强大，而且兼容各种主流模型制作软件。

综上，本文选用3DVIA Composer软件实现间距分析和运动碰撞分析，选用JACK软件实现虚拟人姿态分析和动态分析。

2.4 模型轻量化

发动机结构复杂、零件数量巨大，仿真软件导入的模型多、效率低，容易出现报错现象。应用模型轻量化技术从多量级、轻量化模型生成和复杂场景的分层级拆装两方面对模型进行处理，能够降低航空发动机虚拟仿真对计算机硬件的性能要求[7]，提高维修性虚拟核查效率。

1）多量级轻量化模型生成

在进行发动机虚拟核查仿真过程中，各零部件的功能作用不同，对其模型信息的要求也不同，可以将参与仿真的模型划分为原始模型、高级轻量化模型、低级轻量化模型3个量级。

（1）原始模型是指包含零部件完整信息的模型，如进行间距分析时，可采用原始模型。

（2）高级轻量化模型为仅包含模型实体信息的轻量化模型，如仅仅作为仿真环境的零件模型，只用于检查与活动零件是否存在碰撞，采用仅包含实体信息的轻量化模型。

（3）低级轻量化模型为简化内部结构，仅保留外部轮廓实体信息的零件模型，如在仿真过程中组建内部结构对仿真过程影响不大，仅需要组件大致轮廓信息，故可以对其结构进行相应简化，去除内部零件实体信息，仅保留零部件的装配信息。

2）复杂场景的分层级拆装

分层级拆装实质是将一个复杂场景拆装为几个简单的场景，然后再进行仿真，降低了复杂场景对计算机硬件性能的要求。产品的装配层次可分为：组件装配、部件装配、产品整体装配。对应的场景可划分为组件场景、产品整体场景。组件场景完成零件/部件到组件的拆装仿真，产品整体场景完成部件、组合件及零件到产品整体的拆装仿真。

2.5 按维修级别核查

维修场地不同，存在拆装手段甚至工艺不同，单次核查无法保证所有维修场景的维护要求。结合维修级别，制定不同级别的仿真方案。维修级别包括基层级（军队）、中继级（修理厂）、基地级（制造厂）。复杂装配场景依据装配工艺方案，将装配工位拆分不同的装配场景，再进行装配仿真。在不同维修级别下开展维修性虚拟核查工作，才能更有效地指导现场使用，验证现场拆装可行性。

2.6 核查流程

维修性虚拟核查流程如图1所示，具体内容如下：

（1）确定核查对象(LRU)，明确具体的核查任务清单；

（2）根据核查任务从数据库中添加数字样机模型，主要是核查对象、周围部件、相关管线、机体结构、工具设备等；

（3）根据前期准备，明确核查内容，包括间距分析、运动碰撞分析、虚拟人姿态分析和动态分析；

（4）建立虚拟工作场景，主要是数据简化、加载相关数字样机、保证装配关系；

（5）根据选用的具体核查方法，应用对应的虚拟仿真软件进行仿真；

（6）最后判定仿真结果是否满足维修性要求，如果满足给出合格结论，如果不满足需要则对相应内容给出改进建议。

图1 维修性核查流程图

3 虚拟核查实例

针对某型航空发动机某“作动筒”维护口盖开展虚拟核查工作，并验证所设计方法的可行性。

3.1 前期准备

该型发动机在使用维护设计中要求该“作动筒”满足原位拆装。飞发协调后，计划在“作动筒”上方200 mm的飞机短舱包络面上设计一个150 mm×150 mm的方形维护口盖，要求发动机维修性设计人员核查该给定口盖是否满足维护要求。拆卸零件爆炸图如图2所示。

1）确定核查对象任务

核查对象包含图2中“作动筒”以及维护口盖。任务内容包含首先通过口盖断开与“作动筒”连接的管接头、电缆接头，其次通过口盖取下两边销钉，最后通过口盖取出“作动筒”。

图2 拆卸零件爆炸图

2）选取数字样机

仿真的数字样机模型包括：

（1）“作动筒”模型；（2）与“作动筒”连接的管接头和电缆接头模型；（3）“作动筒”的固定销钉模型；（4）设计的维护口盖模型；（5）开口扳手模型。

3.2 明确核查内容

（1）间距分析，计算管接头、电缆接头以及两个销钉与安装支架之间的间隙，判断螺钉是否有空间拆卸。

（2）运动碰撞分析，在碰撞仿真状态，判断“作动筒”拆卸空间是否足够，通过口盖取出过程有无碰撞。

（3）人体姿态分析，进行可视区域仿真，判断通过口盖“作动筒”及各拆卸点是否可视。

（4）动态分析，制作虚拟人整个作动筒拆装过程，确认“作动筒”可拆卸，生成过程视频培训使用。

3.3 开展虚拟仿真

1）间距分析

（1）设计要求两个管接头与支架最小间距测量都大于15 mm，从图3（a）中可看出分析的间距满足要求；

（2）设计要求销钉头端面与支架端面距离大于销钉长度27.5 mm，从图3（b）中可看出分析的间距为31.2 mm，满足要求。

图3 间距测量图

2）运动碰撞分析

在碰撞仿真状态，直接取出作动筒时会碰撞口盖，动作停止并且碰撞物颜色变蓝，将作动筒倾斜后，可以不碰撞口盖拿出（见图4）。可以判断内部有足够空间将“作动筒”取出。

图4 碰撞分析图

3）人体姿态分析

进行可视区域核查，如图5所示，通过给定口盖的可视区域为紫色曲面内部区域，可看出所有拆卸点都在包络面范围内，即拆卸点都可视。

4）动态分析

根据之前仿真结果，制作虚拟人拆卸各个零件的操作过程，如图6所示，确定作动筒拆卸过程有足够的操作空间，各连接接头及固定销钉的尺寸和位置设计合理。

图6 操作空间仿真图

3.4 核查结果

设计的维护口盖能满足“作动筒”原位拆装要求，各连接接头及固定销钉的尺寸和位置设计合理，满足维修性要求。注意事项如下：

(1)拆“作动筒”的销钉空间较小，需缓慢进行，预防销钉掉落。

(2)开口扳手长度要小于160 mm，否则容易碰撞到短舱内壁。

(3)各连接点拆下后“作动筒”无法直接拿出，需旋转至连杆口缓慢拿出，旋转过程中空间较小，避免碰撞固定支架和短舱壁面。

4 虚拟核查技术的发展趋势

本文研究工作结果表明，虚拟核查设计方法在航空发动机维护核查技术领域具有较好的发展空间。目前，高端制造企业逐渐开始应用多视点沉浸式数字样机技术，用于产品设计评审或后期培训，该技术为追求更真实的仿真效果，将传感器与数模相互结合，操作者可以佩戴便携式视听设备，但不足之处在于精准度有待改进。对于航空发动机这种维护空间紧凑的产品，仿真维护动作精度要求高，如何改进多视点沉浸式数字样机技术以及碰撞物理引擎，以提高计算准确度和速度是今后虚拟核查技术领域需要解决的重要问题。

目前虚拟维修性核查主要为定性核查，随着沉浸式、交互式技术的发展，半定量及定量核查也将成为未来虚拟核查的发展方向。如何满足更真实、准确地核查维修性要求，也是未来虚拟核查方法改进和发展的关键技术。

5 结语

基于维修性虚拟核查技术的发展现状以及航空发动机维修性要求与相关标准，提出了航空发动机维修性虚拟核查的方法，对某航空发动机”作动筒”维护口盖虚拟核查分析表明，所设计的虚拟核查方法准确、可行。

[1]翟庆刚,孙华荣,朱凯,等.基于数字样机的维修性虚拟核查技术[C].//中国航空学会青年科技论坛,2012.

[2]陈志英,章袤.人—机—环境系统工程在维修性设计中的应用[C].//人—机—环境系统工程创立20周年大会暨全国人—机—环学术会议,2009.

[3]钮建伟.JACK 人因工程基础及应用实例[M].北京:电子工业出版社,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.飞机驾驶舱人机工程设计研究[D].西安：西北工业大学,2007.