虛擬裝配技術在飛行器結構設計中應用研究*

婁依志, 周永平, 申 亮, 費王華

(1.中國運載火箭技術研究院 研究發(fā)展中心, 北京 100076; 2.空間物理重點實驗室, 北京 100076; 3.北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076)

虛擬裝配技術在飛行器結構設計中應用研究*

婁依志1, 周永平2,3, 申 亮1, 費王華1

(1.中國運載火箭技術研究院 研究發(fā)展中心, 北京 100076; 2.空間物理重點實驗室, 北京 100076; 3.北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076)

通過分析飛行器結構裝配的特點和難點，在分析虛擬裝配的特征和關鍵的基礎上，引入虛擬裝配方法，對復雜飛行器結構設計中的虛擬裝配實施方案進行探討和應用，并作出與裝配相關的工程決策，可以有效地提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量和速度，能夠有效地減少設計過程中由于裝配而導致的設計反復。

飛行器 虛擬裝配 結構設計

Abstract: By analyzing the characteristics and difficulties of assembly of aircraft structure, and analyzing the characteristics and the key of virtual assembly, the method of virtual assembly is introduced. The implementation plan of virtual assembly for complex missile structure is focused on, and engineering decision related to virtual assembly is made , which can effectively improve reduce design error by assembly in product design.

Key words: aircraft; virtual assembly; structure design

0 引 言

裝配是產(chǎn)品設計和制造的最終環(huán)節(jié)，并且也是最重要的環(huán)節(jié)之一，產(chǎn)品的可裝配性直接影響開發(fā)成本和開發(fā)周期，對產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性的作用，因此裝配設計是產(chǎn)品開發(fā)的重要步驟之一。

實際裝配過程中，通常是以力為作用條件，實現(xiàn)零部件的抓取、移動、裝配等操作過程。產(chǎn)品實物模裝一直是飛行器如火箭、導彈等結構布局設計和總體設計的重要檢驗方法，然而，實物模裝不僅需要生產(chǎn)一整套產(chǎn)品，還需要投入大量的研制經(jīng)費，另外還需要對各系統(tǒng)、各廠家進行協(xié)調(diào)，需要花費大量的時間和精力。

計算機輔助設計技術(CAD)曾推動了裝配技術的發(fā)展，能使工程師看到產(chǎn)品的最后模型。但CAD 技術不支持裝配過程的可視化或裝配工藝的規(guī)劃，仍需要實物樣品來驗證產(chǎn)品的裝配過程，大大增加了產(chǎn)品的開發(fā)成本，延長了產(chǎn)品開發(fā)周期[1-2]。

虛擬現(xiàn)實通過模擬人的視覺、聽覺、觸覺、力覺、運動感，使人處于一種與真實世界非常逼真的虛擬世界中，來感受、體驗和評價虛擬世界中的產(chǎn)品，利用虛擬現(xiàn)實技術，可以使得虛擬裝配在逼真的虛擬世界中進行,虛擬裝配技術是虛擬現(xiàn)實技術在制造業(yè)的典型應用，也是虛擬制造技術研究的重要方向之一。這種技術可以降低復雜產(chǎn)品的開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，實現(xiàn)產(chǎn)品的并行開發(fā)[3-4]。

1 虛擬裝配技術

虛擬裝配是指在沒有實際產(chǎn)品或者物理過程支持的情況下，運用計算機分析、預測模型，用數(shù)據(jù)表達，輔以可視化，作出與裝配相關的工程決策。

目前， 以Pro/E為代表的商用CAD系統(tǒng)中的產(chǎn)品裝配建模過程典型表現(xiàn)為，設計者交互指定零件問的配合約束關系，確定零件在裝配體中的位置，通過坐標變換將零件定位到裝配定位點。這種基于坐標變換的裝配建模，實質(zhì)上是一種面向結果的裝配設計方式。設計者關注的只是零件問的裝配約束關系及裝配體的最終狀態(tài)， 缺乏對裝配約束施加過程、裝配順序與裝配路徑等裝配中問過程的考慮，不符合設計者思維特性，與實際的裝配過程并不直接相關。因此，設計者在面向結果的裝配建模過程中難以確保產(chǎn)品的可裝配性，仍需通過制作實物樣機來驗證產(chǎn)品裝配建模的結果[5-6]。

虛擬裝配的關鍵技術包括零部件建模、裝配建模技術、約束定位技術和工藝規(guī)劃技術，是開發(fā)虛擬裝配應用系統(tǒng)的必須解決的重要共性技術。

(1) 零部件建模。零部件建模技術從虛擬裝配技術發(fā)展以來一直是研究的重點。現(xiàn)一般采用常規(guī)三維CAD 軟件進行產(chǎn)品的建模。有人提出了將虛擬裝配中的產(chǎn)品屬性和行為信息分為產(chǎn)品層、顯示層、特征層和幾何拓撲層四個層次，通過產(chǎn)品層次信息模型中的數(shù)據(jù)和約束映射，實現(xiàn)產(chǎn)品信息層次間的關聯(lián)。

(2) 裝配建模技術。對產(chǎn)品裝配模型的研究，國外學者提出了圖結構模型、樹表達的層次結構模型和基于虛鏈結構的混合模型，這些模型對裝配體靜態(tài)結構進行了描述。圖結構模型是用圖描述裝配體中各種不同實體間的相互關系，其特點是關系表達較直觀，但與產(chǎn)品的實際結構不一致，不能表達零件間的層次關系。層次模型是根據(jù)零部件的層次關系以樹的形式表達裝配并組織產(chǎn)品，能體現(xiàn)設計意圖和產(chǎn)品結構，但各零件之間的裝配關系的描述不夠直觀。

(3) 約束定位技術。虛擬裝配環(huán)境與現(xiàn)實裝配環(huán)境相比，最主要的就是缺少各種物理約束和感知能力，而只能依靠幾何約束對零件進行定位。

(4) 工藝規(guī)劃技術。設計人員根據(jù)經(jīng)驗在虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品的三維模型進行試裝， 規(guī)劃零部件裝配順序，記錄并分析裝配路徑，選擇工裝夾具并確定裝配操作方法，從而得到經(jīng)濟適用的裝配方案。

2 復雜飛行器虛擬裝配的開發(fā)和使用

飛行器設計是一個多學科協(xié)同、反復迭代、逐次逼近的過程。飛行器的論證和方案階段雖然只占總研制工作量或費用的20%～30%，但對設計方案的技術可行程度卻占70%～80%。

飛行器結構的作用是把各分系統(tǒng)，如有效載荷、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等連成一個整體，為它們提供可靠的工作環(huán)境，并承受地面操作和飛行中的外力。

飛行器構成復雜，除結構和動力裝置外，還包括控制、通訊、電源、導航等系統(tǒng)；組成零部件多，這使得方案階段的總體布置不僅工作量大，而且受到結構空間的限制和多學科耦合的影響，系統(tǒng)設備的布置空間十分緊張；同時，總體布置中還要考慮可裝配性、維修性、測試性等要求。為避免設計缺陷向下游傳遞，盡早發(fā)現(xiàn)設計缺陷就顯得十分重要和迫切。

使用虛擬裝配在飛行器的結構設計和儀器設備，在方案階段和設計階段就能及時地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品裝配、系統(tǒng)/設備布置等方面存在的問題，盡可能地避免設計缺陷，能夠使得產(chǎn)品研制成本和周期大大的降低。

2.1 飛行器裝配間隙檢測和分析

飛行器結構設計的一項主要工作是儀器設備布置和安裝，是根據(jù)設計、工藝和使用等技術要求，協(xié)調(diào)飛行器結構與各分系統(tǒng)之間的結構空間、相對位置、連接關系，以及與地面設備的接口形式和操作部位，保證各系統(tǒng)在不同的使用環(huán)境條件下協(xié)調(diào)動作、工作正常和安全可靠。間隙檢測和分析是虛擬裝配設計中所設計的產(chǎn)品是否可裝配、所規(guī)劃的路徑是否安全可達、產(chǎn)品的設計是否正確合理的判斷依據(jù)之一，也是虛擬裝配中比較重要的一個研究內(nèi)容。間隙檢測一般包括靜態(tài)間隙檢測和動態(tài)間隙檢測。

間隙檢測檢查是指在虛擬裝配環(huán)境下，檢查裝配體的各零部件之間的相對位置關系是否存在干涉，裝配公差設計是否合理；對飛行器儀器設備布置和安裝進行虛擬設計，并且根據(jù)設計、工藝和使用等技術要求，使得飛行器的結構設計在符合不同的使用環(huán)境條件符合各系統(tǒng)功能和性能要求。

動態(tài)間隙檢測檢查是裝配的零部件在裝配運動過程中(包括拆卸過程)，其運動包絡體是否存在零部件之間的運動干涉。動態(tài)干涉檢查包括運動干涉檢查和運動機構仿真，保證飛行器的運動機構件工作時不與周圍零部件發(fā)生碰撞干涉，即產(chǎn)品的運動構件能夠可靠地工作。

2.2 裝配可達性分析

對于飛行器進行虛擬裝配規(guī)劃時，裝配人員的作業(yè)域是要考慮的一個重要方面。設計者必須事先確定裝配操作的工作空間和工作范圍，而裝配空間是指裝配操作人員在固定的裝配工位上，在空間內(nèi)能夠觸及到的點的總和。在虛擬裝配規(guī)劃的同時計算可操作域，可以計算出那些產(chǎn)品那些零部件處于可操作域之外，這樣對于可操作域之外的零部件，在進行差評裝配序列與路徑規(guī)劃時優(yōu)先考慮，通過分解裝配、附加設施等額外措施來解決作業(yè)域外的零部件。如遇無法解決裝配的零部件則可以直接反饋給設計，重新考慮產(chǎn)品設計，避免實際裝配中出現(xiàn)不可裝配的問題。如圖1所示在安裝設備時，如果人的手不可操作則應考慮增加輔助工裝或者更改設計。

圖1 裝配可達性分析

在飛行器的早期設計階段尤其是方案階段，進行虛擬裝配的可行性分析，使得產(chǎn)品設計者在進行規(guī)劃時考慮到可操作性的因素，減少輔助工裝的使用，避免出現(xiàn)難以裝配的設計缺陷，從而提高裝配規(guī)劃的效率，即時發(fā)現(xiàn)并糾正錯誤。

2.3 人機工效分析

儀器設備布局中注意薄壁結構承、傳、擴散力的特點，使得傳力路線最短，并應注意布局的對稱性，減少質(zhì)心橫向偏移。飛行器儀器布置與地面設備布置相結合，合理選擇接口部位，簡化設備，便于操作。

從工效分析的流程圖可看出，運動仿真很重要，其可以模擬該部件安裝是否在使用，如圖2所示。

從工效分析的流程圖可看出，運動仿真很重要，它是很多工效分析的基礎。現(xiàn)階段，國內(nèi)在人體動態(tài)仿真方面有基于標準靜態(tài)姿勢庫的動態(tài)仿真方法和基于基動作的動態(tài)仿真方法兩種現(xiàn)行的方法。在實際運用中兩種方法經(jīng)常結合使用。

圖2 人機工效分析流程圖

圖3 虛擬裝配的舒 適性分析

飛行器由于內(nèi)部結構狹小，需要裝配的零部件多等現(xiàn)實條件的多種約束，需對其進行人工效能分析，其目的是人、對象及環(huán)境之間復雜關系進行安全模擬，如圖3所示。

圖3所示操作人員位于設備內(nèi)部，進行部段連接時，支持位置不確定，若踩在結構框架上，姿態(tài)不舒適，則需要重新設計框架或者相關工裝。同時通過視域模塊，可判斷其設備是否在視覺的可視范圍之內(nèi)。

3 結 語

裝配是產(chǎn)品生命周期中的重要環(huán)節(jié)，與一般的機械產(chǎn)品相比，飛行器的零部件數(shù)目多、空間少、裝配過程輔助。虛擬裝配技術能夠減少物理樣機和實物樣機的數(shù)量，在飛行器的設計和實物裝配之前，通過虛擬裝配過程仿真，及時發(fā)現(xiàn)設計、工藝設計、工裝設計存在的問題，有效地減少實際裝配中缺陷和產(chǎn)品的故障率，減少因裝配干涉等問題而進行的重新設計和工程更改，所以通過虛擬裝配能夠保證產(chǎn)品裝配質(zhì)量。在虛擬環(huán)境下實現(xiàn)對飛行器產(chǎn)品的裝配仿真，對于預先發(fā)現(xiàn)和處理設計錯誤、降低設計成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

[1] 趙麗娟，李世旭，胡建華,等.虛擬樣機技術中虛擬裝配實現(xiàn)研究[J].機械研究與應用,2007(2):25-26.

[2] 陳國華，程本松，楊 敏.基于CARIA的機械零件虛擬裝配方法[J].機械研究與應用，2007(2):15-16.

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[6] 李建廣,夏平均.虛擬裝配技術研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].航空制造技術,2010(3):26-30.

Research on Application of Virtual Assembly Technology in Aircraft Structure Design

LOU Yi-zhi1, ZHOU Yong-ping2,3, SHEN Liang1, FEI Wang-hua1

(1.R&DCenter,ChineseAcademyofLaunchVehicleTechnology,Beijing100076,China; 2.KeyLaboratoryofSpacePhysics,Beijing100076,China; 3.BeijingInstitueofNearSpacecraftSystemEngineering,Beijing100076,China)

2014-06-24

婁依志(1979-)，男，浙江臨海人，高級工程師，博士，研究方向：飛行器設計。

TG95

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1007-4414(2014)04-0125-03