基于虛擬維修的民機(jī)可達(dá)性設(shè)計(jì)缺陷分析方法

鄭 慶

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

維修性是民用飛機(jī)的重要特性，是現(xiàn)代民用飛機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。民用飛機(jī)可達(dá)性設(shè)計(jì)缺陷分析是維修性設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，它要求飛機(jī)設(shè)計(jì)初期就要考慮可達(dá)性設(shè)計(jì)[1-2]。國軍標(biāo)、民航適航標(biāo)準(zhǔn)均對可達(dá)性提出明確要求。

GJB/Z 91-97《維修性設(shè)計(jì)技術(shù)手冊》給出了可達(dá)性的定義，即“可達(dá)性是指維修產(chǎn)品時(shí)，接近維修部位的難易程度”，并提出可達(dá)性好的定性要求，“產(chǎn)品在維修時(shí)，能夠‘看得見，摸得著’，或者便于‘看得見，摸得著’，并無需過多地拆裝及移動(dòng)，且維修人員采用常規(guī)工作姿態(tài)就能操作，就是可達(dá)性好”[3]。在飛機(jī)設(shè)計(jì)工作中，可達(dá)性設(shè)計(jì)也是維修性設(shè)計(jì)的主要考慮因素，《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》第20冊《可靠性、維修性設(shè)計(jì)》分冊給出了可達(dá)性設(shè)計(jì)的定性要求：“使維修人員易于接近維修部位”[4]。

中國民航《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》(CCAR-25-R4)將可達(dá)性措施列為強(qiáng)制要求，并提出了比國軍標(biāo)更為詳細(xì)的要求，第25.611條中“可達(dá)性措施”明確指出“必須具有措施，使能進(jìn)行為持續(xù)適航所必需的檢查(包括檢查主要結(jié)構(gòu)元件和操縱系統(tǒng))、更換正常需要更換的零件、調(diào)整和潤滑”。

因此，維修可達(dá)性設(shè)計(jì)工作不能僅定位在“維修人員容易接近維修部位”，還要保證維修人員在接近該部位后，容易實(shí)施后續(xù)的檢查、拆裝，調(diào)整和潤滑等具體勤務(wù)工作。

1 虛擬維修概述

從本質(zhì)上講，虛擬維修是一種對人機(jī)交互過程的仿真，利用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，模擬現(xiàn)實(shí)中的維修環(huán)境、維修對象及維修任務(wù)實(shí)施的過程來研究評判產(chǎn)品維修過程中可能存在的問題[5]。虛擬維修技術(shù)可以作為一種有效的手段應(yīng)用于民機(jī)研制的方案階段與工程研制階段：

1)在方案階段，通過虛擬維修開展總體布置方案的維修性分析，確定維修性的優(yōu)劣，以避免頻繁的構(gòu)型更改；并對關(guān)鍵設(shè)備的維修過程進(jìn)行仿真，全面驗(yàn)證系統(tǒng)與設(shè)備的維修性，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化提供依據(jù)。

2)在工程研制階段，虛擬維修除了繼續(xù)用于維修性的分析與驗(yàn)證工作外，還被作為規(guī)劃保障資源與確定維修程序的重要依據(jù)。借助維修任務(wù)實(shí)施過程的模擬仿真，可以在研制階段實(shí)現(xiàn)維修保障資源的合理規(guī)劃，并輔助維修手冊的編寫，指導(dǎo)維修培訓(xùn)和以后的維修工作[6-7]。

虛擬維修將虛擬現(xiàn)實(shí)和維修性分析結(jié)合，通過虛擬技術(shù)創(chuàng)造出一個(gè)逼真的維修環(huán)境，真實(shí)地仿真實(shí)際維修過程，可以作為飛機(jī)研制階段發(fā)現(xiàn)維修性問題的有效手段，從而驗(yàn)證飛機(jī)滿足規(guī)定的維修性設(shè)計(jì)要求的程度，有助于提高飛機(jī)維修性設(shè)計(jì)水平[8-9]。開展虛擬維修仿真分析工作首先需要搭建虛擬維修環(huán)境，包括維修對象、維修工具及地面設(shè)備、虛擬人、維修場景等的建模；接著開展維修過程的仿真，一般通過虛擬人和維修場景的交互過程來模擬維修人員實(shí)施維修任務(wù)的過程，并對仿真的過程及結(jié)果進(jìn)行記錄，如截圖及視頻錄制等。維修過程仿真的核心是維修對象的拆裝過程實(shí)現(xiàn)，同時(shí)考慮維修過程中虛擬人維修操作姿態(tài)的合理性。虛擬維修仿真整體流程如圖1所示。

圖1 虛擬維修仿真流程

2 可達(dá)性設(shè)計(jì)缺陷分析方法

可達(dá)性是民用飛機(jī)維修性的重要因素，可達(dá)性的設(shè)計(jì)缺陷是當(dāng)前民機(jī)維修性設(shè)計(jì)缺陷的一種主要形式。通過對現(xiàn)役民用飛機(jī)維修性設(shè)計(jì)缺陷案例進(jìn)行梳理分析，可將飛機(jī)的可達(dá)性進(jìn)一步劃分為維修區(qū)域可達(dá)性、維修人員可達(dá)性、維修工具可達(dá)性、維修部件可達(dá)性、部件細(xì)部可達(dá)性五個(gè)方面[10-11]。

2.1 維修區(qū)域可達(dá)性

維修區(qū)域可達(dá)性可以定義為維修區(qū)域?qū)S修人員的開放程度。按照接近便利性將維修區(qū)域可達(dá)性分為三級，如表1所示。

表1 維修區(qū)域可達(dá)性分析結(jié)果判據(jù)

2.2 維修人員可達(dá)性

維修人員可達(dá)性是指維修人員在維修區(qū)域工作時(shí)所采取的姿勢及工作姿態(tài)的舒適程度。維修人員可達(dá)性分為三級，如表2所示。

表2 維修人員可達(dá)性分析結(jié)果判據(jù)

2.3 維修工具可達(dá)性

維修工具可達(dá)性是指維修人員使用維修工具接近維修部位及執(zhí)行維修任務(wù)的難易程度。維修工具可達(dá)性分為三級，如表3所示。

表3 維修工具可達(dá)性分析結(jié)果判據(jù)

2.4 維修部件可達(dá)性

部件可達(dá)性的優(yōu)劣不能以該部件是否“看得見、摸得著”，或者是否容易“看得見、摸得著”為判據(jù)，而應(yīng)該以該部件的拆卸是否受周圍部件或管路的影響，即拆卸該部件“是否需要拆卸相鄰部件或管路”為判據(jù)。維修部件可達(dá)性劃分為三級，如表4所示。

表4 維修部件可達(dá)性分析結(jié)果判據(jù)

2.5 部件細(xì)部可達(dá)性

部件細(xì)部可達(dá)性是指對該部件的檢查、維護(hù)(潤滑、充灌等)、拆卸時(shí)，部件的檢查點(diǎn)、維護(hù)口、安裝定位裝置是否受遮擋，檢查、維護(hù)和拆裝所用的工具是否能順利操作，能否將緊固件進(jìn)行正確安裝、擰緊并保險(xiǎn)。部件細(xì)部可達(dá)性劃分為三級，如表5所示。

表5 部件細(xì)部可達(dá)性分析結(jié)果判據(jù)

3 實(shí)例驗(yàn)證

圖2 虛擬維修過程仿真

以某型號飛機(jī)電子設(shè)備艙配電盤箱拆卸為例，搭建了虛擬維修場景，利用DELMIA軟件對該維修任務(wù)進(jìn)行虛擬維修仿真，如圖2所示。通過虛擬維修仿真發(fā)現(xiàn)，維修人員打開后貨艙前壁板即可直接接近配電盤箱，維修區(qū)域可達(dá)性良好；接近并拆卸盤箱緊固件時(shí)，維修人員只能采用跪姿或蹲姿，維修人員可達(dá)性一般；盤箱較重，拆卸緊固件之后需要使用專用起吊工具和輔助地板，維修工具可達(dá)性較差；在安裝輔助地板時(shí)，受附件電子設(shè)備阻擋，需要拆除該電子設(shè)備才能安裝到位，維修部件可達(dá)性較差；維修人員使用維修工具拆卸盤箱背部接線柱螺栓時(shí)，操作空間不足，部件細(xì)部可達(dá)性較差。因此，基于可達(dá)性分析結(jié)果判據(jù)，通過虛擬仿真得到該設(shè)備的可達(dá)性分析結(jié)果如表6所示。經(jīng)分析，配電盤箱拆卸過程中維修人員及工具可達(dá)性、部件細(xì)部可達(dá)性較差，存在可達(dá)性設(shè)計(jì)缺陷，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

表6 可達(dá)性分析結(jié)果

4 結(jié)論

在民機(jī)研制階段，采用虛擬維修技術(shù)開展維修可達(dá)性分析，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供有效的可達(dá)性設(shè)計(jì)評價(jià)依據(jù)，較早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中的維修可達(dá)性設(shè)計(jì)缺陷，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員有針對性地進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)及方案優(yōu)化，避免后期設(shè)計(jì)更改，從而降低研制成本。由此可見，虛擬維修是發(fā)現(xiàn)并解決民機(jī)可達(dá)性設(shè)計(jì)缺陷的一種有效方法。通過對維修區(qū)域可達(dá)性、維修人員可達(dá)性、維修工具可達(dá)性、維修部件可達(dá)性、部件細(xì)部可達(dá)性五個(gè)方面的分析，并基于可達(dá)性分析結(jié)果評價(jià)體系，建立了維修可達(dá)性設(shè)計(jì)缺陷分析方法，并以某型飛機(jī)配電盤箱拆卸為驗(yàn)證對象，搭建盤箱拆卸虛擬維修環(huán)境并開展維修過程仿真，依據(jù)可達(dá)性分析結(jié)果判據(jù)針對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，給出了基于虛擬維修的某型飛機(jī)配電盤箱可達(dá)性分析結(jié)果，完成了實(shí)例驗(yàn)證。該方法為飛機(jī)方案論證、初步設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)階段開展維修可達(dá)性分析提供了一種可行的技術(shù)途徑。