飞机虚拟装配技术应用及发展趋势分析

徐云朋

摘要：随着工业的发展，大型机械装备的设计、制造，尤其航空航天、军事装备领域发展较为迅速。大型装备的设计与生产带来的问题就是产品结构复杂、装配复杂，导致设计、生产过程经常出现差错。上个世纪80年代虚拟现实的概念提出，促进了大型装备虚拟装配技术的出现并迅速发展。虚拟装配就是充分利用现代信息技术，在虚拟的环境中开展产品设计、产品制造与产品装配，在生产之前完成装配过程，提前发现问题，减小差错。

关键词：飞机;虚拟装配技术;应用

前言

虚拟装配技术主要是实现了两个层次的映射，第一个映射就是通过底层的产品虚拟模型实现对产品物理模型的映射，第二个映射就是利用虚拟的装配仿真实现真实物理装配过程。虚拟装配是虚拟制造研究领域的重要研究分支，其是许多先进学科领域知识的综合集成与应用，它以数字化建模技术，计算机仿真技术，分析优化技术为基础，在产品设计阶段或产品制造之前，实时、并行地模拟出产品的未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品的性能、成本和可制造性，以达到产品的开发周期和成本的最优化，生产效率的最高化之目的。

1虚拟装配技术及研究方向

1.1以产品设计为中心的虚拟装配技术研究

虚拟装配的重要内容就是产品的研发，其主要功能就是在虚拟环境中实现产品的组装，以产品设计为中心的虚拟装配技术就是专注产品各个部件之间的因素制约，并依据设计原理开展各个部件的设计与装配。以产品设计为中心的虚拟装配的目的就是实现各部件之间制约关系的定量分析，在各个约束下实现最优设计，解决部件设计的瑕疵和错误，并开展设计优化与设计更改，最终实现产品的最优设计方案。这种设计可以在经济成本、人机工程、环保等社会因素上实现最优，促进产品的成功。

1.2以工艺规划为中心的虚拟装配技术研究

虚拟装配技术一个重要方面就是针对产品的各个部件设计完成后，利用虚拟现实的概念，借助现代信息技术，采用电子计算机生产的虚拟环境下实现产品各个部件装配工艺设计，并针对产品特点计算和分析装配的最优工艺方案，指导实际的产品生产与装配工作。以工艺规划为中心的虚拟装配可以分为系统级装配规划和作业级装配规划两个层次。

1.3以虚拟原型为中心的虚拟装配技术研究

以虚拟原型为中心的虚拟装配技术就是充分利用虚拟环境，构建产品的外形、产品的功能、产品的性能，进而模拟产品的用途和功能，对产品进行检验和功能特性评价。这种虚拟装配技术可以对产品的外形精度、制造公差进行优化分析，并提供可视化功能。

2虚拟装配技术在飞机研制中的应用

论证和方案阶段仅占飞机设计总研制工作量或成本的20%～30%，却占设计方案技术可行性论证的70%～80%。针对国内飞机制造单位装配技术落后的情况，根据飞机虚拟装配场景工艺，提出基于PPR的飞机虚拟装配场景工艺数据模型，并根据其特点，开发各系统之间及其内部各分系统的集成平台，以实现信息交互。大型飞机构成复杂，组成零部件众多，且安装拆卸困难，为解决利用人力模拟飞机水平尾翼的装配问题，利用delmia软件对人员行为进行实时跟踪模拟仿真，以更好地服务生产。飞机总体布置工作量庞大，且受结构空间的影响，所以飞机制造单位在设计阶段应用数字化预装配技术，在保证客舱和货舱空间的基础上，了解虚拟装配技术的工作原理和实施过程，并以某型短程支线飞机为例，对其装配步骤与装配途径进行设置，最终此短程支线飞机的装配在计算机虚拟环境中得以实现。在飞机总体布置中，可装配性、可维修性和测试性是关键指标，轻量化技术是提高飞机虚拟装配仿真效率的有效手段，在某机型研制阶段，利用虚拟装配仿真软件对其关键装配部件进行三维模拟装配，预先发现并处理严重威胁装配质量的问题，使装配进度加快30%以上。为解决航空发动机燃油子系统工作环境恶劣、拆装维护困难等难题，在研制阶段搭建虚拟装配平台，并进行装配路径仿真、可达性仿真、人机功效分析，实现维护工艺最优化。

3飞机虚拟装配过程设计

根据飞机各系统组成部件的装配难易程度，在总体设计阶段、装配设计阶段和详细设计阶段3个阶段使用虚拟装配技术，完成虚拟场景搭建、虚拟模型导入、虚拟装配操作与虚拟装配仿真等。在总体设计阶段，为飞机部件建立主模型，仿真与实际装配环境一致的虚拟装配环境，根据需求为已有部件的三维模型和待装配部件的三维模型划分空间，完成初始总体布局，并利用感官反馈仪器在实际装配环境中接收对应的信号。在装配设计阶段，大体实现飞机部件及相关连接结构的三维模型设计，建立模型装配基准，确认虚拟装配环境下的空间工作坐标，划分模型的虚拟空间，规范其行为和动作的移动路径。与实际装配环境相结合，利用图像处理技术获取飞机部件的特征因素，并不断调整真实环境和反馈仪器参数。在确定参数后，多次调整飞机部件的特征因素，以匹配真实装配环境。在详细设计阶段，确定飞机部件装配的最终模型。构建相关约束条件和约束范围，确认装配工艺顺序，通过不断的细节调整将虚拟装配的全局最优结果以数据库形式匹配到真实环境，进行装配仿真以验证其可达性。确定装配顺序一般采用装配法或拆卸法，比较而言，拆卸法的变化空间较小，更易被采纳。最终，将虚拟装配信息以动画等形式由连接设备传送给工作人员。

结束语

简单阐述了虚拟装配的相关概念和方案，并举例说明了虚拟装配技术在飞机研制中的应用，进一步说明研究虚拟装配技术对提高飞机质量、市场竞争力和降低成本都十分有意义。

参考文献：

[1]  严隽琪.虚拟环境中交互式工位规划与装配过程仿真技术研究[D].上海：上海交通大学，2007.

[2]  赵宇.飞机柔性装配系统的位姿调整研究[D].南京：南京航空航天大学，2014.

[3]  王念东.集成化虚拟装配理论、方法及其在飛机布置中的应用[D].南京：南京航空航天大学，2009.

[4]  韩虎.飞机虚拟装配场景工艺及关键技术研究[D].上海：上海大学，2013.

[5]  王建芳.某轻型飞机的虚拟装配技术及DELMIA人机工程的二次开发研究[D].沈阳：沈阳航空工业学院，2010.

（作者单位：中航飞机股份有限公司）