基于DELMIA的雷達系統(tǒng)維修性虛擬驗證技術(shù)*

梁震濤，程亞龍，宋南海

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

基于DELMIA的雷達系統(tǒng)維修性虛擬驗證技術(shù)*

梁震濤，程亞龍，宋南海

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中針對現(xiàn)代雷達系統(tǒng)的設(shè)計需求，研究了基于DELMIA軟件的維修性虛擬驗證方法。首先制定了維修性虛擬驗證的流程；然后對數(shù)據(jù)準備、仿真過程及評價方法進行了細化，論證了每一步工作的具體內(nèi)容與要求，形成了雷達系統(tǒng)虛擬維修性仿真的完整解決方案；最后通過具體示例對整個仿真進行了演示，驗證了方法的可行性。

雷達系統(tǒng)；維修性；虛擬驗證

引 言

雷達是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要武器裝備。隨著雷達系統(tǒng)的復雜化、綜合化發(fā)展，其維修性問題更為突出，已經(jīng)與其傳統(tǒng)性能處于同等重要的地位。維修性是裝備的基本屬性之一，是與裝備的維修密切相關(guān)的設(shè)計特性，它反映裝備是否具備維修方便、快捷、經(jīng)濟的能力。具備良好維修性的關(guān)鍵在于產(chǎn)品設(shè)計，其核心是進行維修性的設(shè)計分析與驗證[1]。

進入21世紀后，計算機技術(shù)、信息技術(shù)、管理技術(shù)得到快速發(fā)展和廣泛應用，產(chǎn)品的工程設(shè)計與制作呈現(xiàn)并行化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化的發(fā)展趨勢，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也越來越多地應用到產(chǎn)品的設(shè)計中來。虛擬維修是虛擬現(xiàn)實技術(shù)與維修性工程相結(jié)合的成果，是以計算機技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)為依托，在由計算機產(chǎn)生的、包含了產(chǎn)品數(shù)字樣機和維修人員三維人體模型的虛擬場景中，通過驅(qū)動人體模型來完成整個維修過程仿真的綜合性應用技術(shù)[2]。美國通用汽車公司利用美國伊利諾斯大學開發(fā)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)并結(jié)合虛擬人，來評價汽車的人機工程學性能；波音公司利用改進的Dassault / IBM計算機輔助三維交互系統(tǒng)(CATIA)將飛機的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、布線及管道鋪設(shè)的數(shù)字式圖像組合在一起，為完成飛機的數(shù)字化預裝配提供了一種有效的維修性設(shè)計工具；英國的Salford大學的高級機器人研究公司為Roll-Royce公司的飛機發(fā)動機建立模型，以評估發(fā)動機維修過程中出現(xiàn)的問題[3-5]。

在目前的虛擬維修工具中，法國達索公司開發(fā)的DELMIA軟件應用最為廣泛，具備干涉仿真、順序仿真、人機工程仿真和可視化培訓等許多功能。本文針對某復雜雷達系統(tǒng)，以DELMIA軟件為手段，開展虛擬維修驗證研究，從流程、仿真和評價方面對雷達的關(guān)鍵維修部位進行定量/定性評價。

1 維修性虛擬驗證流程

維修性虛擬驗證流程如圖1所示，主要包含數(shù)據(jù)準備、維修仿真、維修性評價3個部分。

圖1 維修性虛擬驗證流程

2 數(shù)據(jù)準備

數(shù)據(jù)準備包括仿真產(chǎn)品的三維模型、維修使用的工具、工裝設(shè)備和人體模型等。

產(chǎn)品三維模型和特殊工具、工裝由相關(guān)CAD設(shè)計軟件生成(包括Pro/E、UG、Solidworks等)，通過直接轉(zhuǎn)換插件或中間格式變?yōu)镈ELMIA文件格式(.CATPart/.CATProduct格式)。常用的中間格式包括IGES、STEP、STL等，由于STEP格式具有良好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和可擴展性，同時采用STEP格式進行中間轉(zhuǎn)換可減少模型數(shù)據(jù)規(guī)模，提升仿真效率，因此建議優(yōu)先使用這種格式。

對于通用工具、工裝和人體模型，可直接調(diào)用DELMIA軟件的模型庫。進行人體選擇時應根據(jù)維修人員的不同選擇合適的比例。

3 維修性仿真

3.1 維修過程仿真

維修過程仿真主要驗證維修工序的可行性與合理性，同時驗證場景、工裝、工具與維修活動的匹配性。利用DELMIA進行維修過程仿真時，必須首先規(guī)劃維修流程，并建立Process Library(如圖2所示)，然后將Process Library插入模擬環(huán)境并構(gòu)建Process結(jié)構(gòu)，最后導入人體模型、維修工具、設(shè)備以及工裝資源等，構(gòu)建虛擬維修場景并建立人體模型與Process之間的鏈接，開始細化的仿真工作。

圖2 Process Library示例

在維修過程仿真中，可優(yōu)化確定維修工序，設(shè)備拆裝路徑，場地、工裝、工具的需求以及人與環(huán)境設(shè)備的配合，確保維修過程可實施。

3.2 可視、可達、可操作仿真

可視性強調(diào)視覺上的通達性，即從一個或多個位置所能看到的范圍或可見程度?？梢曅源_保能夠目視檢查維護設(shè)備并指導維護操作?？蛇_性是在維修過程中，能夠接近某一設(shè)備的相對容易性，不良的可達性使得維修困難，浪費時間，往往會降低維修的可靠性?？刹僮餍允菍υO(shè)備、工具、人員和維修環(huán)境的綜合考慮，是對維修實現(xiàn)的綜合保障。DELMIA軟件可通過視角設(shè)定的仿真實現(xiàn)可視性檢查。如圖3所示，通過打開人體視角窗口，在人體進入天線座時即可實時進行可視性仿真。如圖4所示，設(shè)計人體各部位的動作，通過干涉檢查可實現(xiàn)人與設(shè)備之間的可達性檢查。通過虛擬環(huán)境的設(shè)定實現(xiàn)可操作性的檢查，如圖5所示，通過手擰扳手的動作，即可發(fā)現(xiàn)安裝緊固件的可操作性。

圖3 可視性檢查

圖4 可達性檢查

3.3 人機工程仿真

人機工程仿真主要開展特定比例人體在機器環(huán)境下人體機能特征參數(shù)驗證，包括視覺、觸覺、能量消耗、疲勞機理以及人對各種勞動負荷的適應能力等。舉放分析通過記錄人體姿態(tài)，根據(jù)舉放頻率、持續(xù)時間、耦合狀態(tài)、物體重量等分析給出可承受的物體合理重量和極限重量；推拉分析根據(jù)推拉頻率、推拉距離、人體比例分析給出初始推拉力和持續(xù)推拉力的大??；搬運分析通過搬運頻率、搬運距離和人體比例計算出可承受的最大物體重量；生物力學分析可給出單個動作的壓力和關(guān)節(jié)剪力極限，肘部、肩部和腰部的彎曲、旋轉(zhuǎn)、拐扭等信息，各部位的反應力與力矩，各部位的位置、角度、重心和長度等信息。

4 維修性評價

維修性設(shè)計與仿真包含眾多影響因素，例如過程的設(shè)計、環(huán)境的影響、工具工裝的匹配性以及操作人員的能力等。因此在對產(chǎn)品的維修性進行評價時應從維修規(guī)劃、可視可達可操作、工裝工具及人機工程等多方面進行評判。

維修規(guī)劃主要評判維修工序、操作方式的合理性，單個設(shè)備的維修應盡可能減少對其它設(shè)備的影響并使用最少的工具和人力，同時應在可操作的前提下，減少對特殊工裝的使用；可視可達可操作主要評判設(shè)備的拆裝能否保證操作對象視力可及、人體/工具可及、動作可實現(xiàn)；工具工裝的評判標準主要是能夠支撐整個維修過程的實現(xiàn)，并盡量簡化；人機工程的評判標準主要是讓維修操作者在一個相對舒適和體力可支撐的狀態(tài)下完成維修工作。這些評判工作一般可以定性和定量相結(jié)合的方式進行。例如人機工程中的疲勞分析可采用RULA分析，它通過綜合分析人體的運動部位數(shù)量、工作的肌肉、受力、工作姿勢和工作時間等多個因素形成1～7之間的分值，這些分值分為4段，其含義和對應顏色為

1)1～2：綠色，表明若該姿勢不是長時間持續(xù)或重復的，可以接受；

2)3～4：黃色，表明該動作不能長時間持續(xù)，需要變動；

3)5～6：橙色，表明該動作需要盡早改變；

4)7：紅色，表明該動作需要立即改變。

在圖3所示的模型中，維修人員的大腿、背部、左手均為紅色，表明這些部位較為疲勞，需要立即改變。

5 示例

本文結(jié)合上述方法，針對某一雷達系統(tǒng)開展維修性虛擬驗證。所用數(shù)據(jù)均為實際產(chǎn)品的Pro/E全三維設(shè)計數(shù)據(jù)，排除對仿真無影響的設(shè)備并適當簡化后通過STEP格式導入DELMIA。根據(jù)維修的實際場景，將人體、工具/工裝等導入環(huán)境，然后根據(jù)預先設(shè)計的維修工序進行維修性虛擬驗證。圖6所示為典型設(shè)備的維修過程，展現(xiàn)了維修的過程、人體的姿態(tài)及舒適度、操作人員的視角等具體內(nèi)容。仿真結(jié)果表明，設(shè)備維修可以實現(xiàn)但人員舒適度較差，可通過擴大維修通道，增加操作人員維修舒適度。圖7主要展現(xiàn)了設(shè)備、環(huán)境與操作人員的配合，驗證了維修過程規(guī)劃的可行性。

圖6 典型設(shè)備維修1

圖7 典型設(shè)備維修2

6 結(jié)束語

良好的維修性是雷達設(shè)備有效運行的重要保障。本文針對現(xiàn)代雷達設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成和關(guān)鍵設(shè)備的特點，研究了基于DELMIA的雷達系統(tǒng)維修性虛擬驗證技術(shù)。首先制定了虛擬維修性驗證仿真的基本流程；其次分析了仿真驗證的數(shù)據(jù)準備過程，包括三維模型、工具工裝和人體資源等；再從仿真過程、仿真特性、人機工程等方面詳細分析了虛擬維修的仿真過程；然后從維修規(guī)劃的合理性，可視、可達、可操作性，工裝工具的可實現(xiàn)性，人體舒適性等方面提出了維修性的評價方法；最后以某雷達系統(tǒng)為例進行了虛擬維修性的仿真設(shè)計，驗證了維修性虛擬驗證方法的有效性。在該方法的基礎(chǔ)上，通過大量的實例分析建立常用的維修動作庫、細化人體疲勞分析的評價指標等方式，提高雷達設(shè)備維修性仿真分析的效率，將是下一步研究的重點。

[1] 呂川. 維修性設(shè)計分析與驗證[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2012.

[2] 張慶雅. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應用綜述[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 1998(8): 11-13.

[3] ABSHIRE K J, BARRON M K. Virtual maintenance: real-world applications within virtual environment[C]// Proceedings of the Annual Reliability and Maintainability Symposium, Anaheim, California, USA: 1998.

[4] TAVERNA, MICHAEL A. Case study in virtual reality[J]. Aviation Week and Space Technology (New York), 2004, 160(19): 52-54.

[5] 戴永峰. 民用飛機維修性虛擬分析與驗證方法研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2005.

梁震濤(1979-)，男，高級工程師,主要從事機載雷達結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作。

程亞龍(1986-)，男，工程師，主要從事大型相控陣雷達結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作。

宋南海(1983-)，男，工程師，主要從事大型相控陣雷達結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作。

Virtual Verification of Maintainability for Radar System Based on DELMIA

LIANG Zhen-tao，CHENG Ya-long，SONG Nan-hai

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

A virtual verification method of maintainability for the radar system based on DELMIA is researched in this paper for the design requirements of the modern radar. The process of virtual verification of main-tainability is established at first. After that, the data preparation, simulation process and evaluation method areelaborated. Then the specific work content and requirements of every step are demonstrated and a complete solution to virtual simulation of maintainability for the radar system is formed. Finally, an example is taken to demonstrate the entire simulation process and the effectiveness of the method is verified.

radar system; maintainability; virtual verification

2015-07-29

TP391.97

A

1008-5300(2015)05-0058-04