航空發(fā)動機低壓渦輪數(shù)字化裝配仿真

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(中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機制造有限責(zé)任公司，上海 201306)

0 引言

航空發(fā)動機的裝配工藝種類多、質(zhì)量要求高、生產(chǎn)過程監(jiān)控嚴(yán)格。大型客機發(fā)動機處于設(shè)計研發(fā)階段，各型號的部件、組件、整機裝配任務(wù)繁重，呈現(xiàn)出多機型、小批量、更改頻繁等特點[1]。使用以前的傳統(tǒng)設(shè)計方法、半實物模裝、二維圖紙校核等，已不再適應(yīng)當(dāng)今時代潮流和激烈的市場競爭格局，必須采用并行工程的方法，積極研究利用數(shù)字預(yù)裝配等設(shè)計制造一體集成化技術(shù)，才能有望改變我國航空產(chǎn)品研制的落后狀態(tài)。國外實踐證明，仿真技術(shù)通過對高性能計算資源、發(fā)動機各學(xué)科知識的集成，可有效支撐發(fā)動機正向研發(fā)體系，快速實現(xiàn)發(fā)動機全生命周期各環(huán)節(jié)的設(shè)計迭代優(yōu)化，從而提高航空發(fā)動機研發(fā)效率、降低研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期。

數(shù)字化裝配仿真技術(shù)是通過規(guī)劃三維裝配順序、三維裝配路徑、三維裝配過程、相關(guān)制造工裝、車間設(shè)備和必要的人體模型，利用計算機圖形學(xué)和仿真技術(shù)，實施裝配過程的可視化操作與演示，實現(xiàn)對每一步裝配操作的可視化分析，在計算機上以可視化方式展示產(chǎn)品的實際裝配過程，以數(shù)字化仿真代替裝配現(xiàn)場物理樣機的試裝過程，能夠檢驗整個裝配過程的裝配性，提供裝配干涉的適時檢查與報警，實現(xiàn)產(chǎn)品快速、精準(zhǔn)裝配，有利于縮短裝配周期，提高裝配成功率，提高裝配質(zhì)量[2-4]。

國外較成功的應(yīng)用如波音777客機、加拿大龐巴迪公司的Learjet45公務(wù)機。波音公司的777實現(xiàn)了整機的三維虛擬裝配仿真和驗證，通過飛機數(shù)字化裝配仿真和自動裝配，提高了零部件的裝配準(zhǔn)確度，使用預(yù)裝配技術(shù)，使波音777的地板梁裝配時間由19周減少到3周，減少了設(shè)計變更，縮短了工藝規(guī)劃時間，裝配周期縮短50%，工藝設(shè)計周期縮短30%～50%，制造成本降低了20%～40%[5]。

實踐證明，應(yīng)用數(shù)字化裝配工藝仿真，具有節(jié)省經(jīng)費、節(jié)省人力、設(shè)計尺寸準(zhǔn)確、布局定位精度高、布局調(diào)整速度快和布局、計算和出圖一體化等優(yōu)點[6]。

國外對數(shù)字化裝配仿真技術(shù)的研究起步較早，在理論上的研究比較豐富，開發(fā)了虛擬裝配系統(tǒng)CODY、VADE、DFA等，應(yīng)用于產(chǎn)品的裝配設(shè)計與規(guī)劃。美國機械工程師協(xié)會(ASME)聯(lián)合波音公司制訂了“數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)規(guī)程”ASME Y14.41-2003標(biāo)準(zhǔn)，為應(yīng)用三維數(shù)字化模型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計提供了有力支撐[7]。

西門子公司基于Tecnomatix開發(fā)的3DAPPS應(yīng)用系統(tǒng)可以支撐復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃與仿真優(yōu)化的需求，該系統(tǒng)已在某航空制造企業(yè)得到實際應(yīng)用，顯示出良好的應(yīng)用效果。西北工業(yè)大學(xué)在面向PLM的航空產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計與仿真技術(shù)方面進(jìn)行了研究改進(jìn)，在某航空企業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用，實現(xiàn)了基于Tecnomatix軟件的裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計與仿真系統(tǒng)，有效指導(dǎo)了30多個組部件的裝配工作，提高了生產(chǎn)效率，縮短了研制周期[8]。

我國大型客機的研制階段采用MBD技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)品的全三維數(shù)字化定義，嘗試采用基于MBD單一數(shù)據(jù)源的數(shù)字化裝配工藝設(shè)計，形成了原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于達(dá)索公司DELMIA軟件平臺，在DELMIA/DPE模塊中通過裝配工藝結(jié)構(gòu)模板進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃，然后通過DELMIA/DPM模塊進(jìn)行裝配仿真驗證，最后通過3D VIA-Composer進(jìn)行工藝文件發(fā)布[9-10]。

目前，國內(nèi)航空發(fā)動機制造企業(yè)僅在發(fā)動機設(shè)計過程中應(yīng)用了仿真技術(shù)，沒有涵蓋發(fā)動機全壽命周期的所有階段。同時，在民用航空發(fā)動機領(lǐng)域，制造工藝仿真處于初步研究階段，缺乏體系化建設(shè)，未形成仿真流程及數(shù)據(jù)管理的標(biāo)準(zhǔn)與平臺。結(jié)合國內(nèi)民用航空發(fā)動機技術(shù)要求，對某型發(fā)動機總裝智能裝配進(jìn)行研究，探索裝配線仿真分析的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會于2006年12月15日發(fā)布了HB 7803-2006《飛機數(shù)字化預(yù)裝配通用要求》，規(guī)定了飛機(含直升機)研制過程中進(jìn)行數(shù)字化預(yù)裝配的通用要求。GB/T 26101-2010《機械產(chǎn)品虛擬裝配通用技術(shù)要求》規(guī)定了機械產(chǎn)品三維虛擬裝配模型的通用技術(shù)要求。

1 裝配工藝模型建模

1.1 基本定義和概念

1)EBOM：以產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)排列的分層次的物料清單。

2)MBOM：以產(chǎn)品制造結(jié)構(gòu)排列的分層次的物料清單。

3)CAPP：計算機輔助工藝設(shè)計。

4)工藝模型：為滿足產(chǎn)品數(shù)字化制造過程中的工藝要求，在產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上增加必要的工藝信息后形成的數(shù)字模型，是工藝規(guī)程模型和直接表達(dá)工藝內(nèi)容的載體。

1.2 建模方法和思路

1.2.1 定義問題和對象

航空發(fā)動機數(shù)字化裝配仿真主要針對產(chǎn)品的裝配工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計及工裝驗證，借助三維數(shù)字化仿真技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計，獲得可行且較優(yōu)的裝配工藝方案。

對離散型制造企業(yè)而言，多批種小批量生產(chǎn)方式對于生產(chǎn)設(shè)施的適應(yīng)性要求較高。而同時航空發(fā)動機的裝配目前主要依靠人工、機械結(jié)合的生產(chǎn)方式，以數(shù)字化仿真代替裝配現(xiàn)場物理樣機的試裝過程，可以達(dá)到降低成本，改善質(zhì)量的效果。

某型號民用航空發(fā)動機處于研發(fā)階段，在其投產(chǎn)前，為驗證工藝路線和工藝方案合理性，進(jìn)行裝配線仿真優(yōu)化設(shè)計工作十分必要。通過基于數(shù)字化模型的裝配工藝仿真技術(shù)，實現(xiàn)基于產(chǎn)品模型在可視化的數(shù)字環(huán)境中的裝配路徑規(guī)劃、裝配分析和裝配仿真，以驗證產(chǎn)品的可裝配性及其工藝過程，從而能及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計和工藝規(guī)劃中的缺陷與錯誤，從而進(jìn)行改進(jìn)。

1.2.2 確定仿真方法

1)通過基于模型的裝配仿真技術(shù)，采用商用裝配工藝仿真分析軟件，建立低壓渦輪性能試驗件裝配工藝模型；

2)通過基于模型的動態(tài)干涉分析，驗證低壓渦輪性能試驗件裝配工藝過程和工裝的可行性；

3)通過數(shù)字化的裝配工藝仿真，對現(xiàn)有工裝、工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1.2.3 建立仿真模型

設(shè)計工藝路線，進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃，將接收的EBOM構(gòu)建為MBOM，依據(jù)各裝配單元劃分原則進(jìn)行工藝分工。

根據(jù)接收到的工藝任務(wù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化裝配工藝的編制：

1)基于現(xiàn)有的MBOM節(jié)點，創(chuàng)建裝配工藝對象，選擇各級屬性信息。

2)創(chuàng)建各級工序、工步對象，依據(jù)工藝規(guī)劃和工藝資源情況進(jìn)行串行并行設(shè)計并排序。

3)在當(dāng)前的MBOM列表中選擇裝配所需的發(fā)動機零組件對象，指派到對應(yīng)的裝配工序下作為消耗。

4)在裝配工序中添加工藝設(shè)備和工裝工具等三維數(shù)字化模型，建立三維工藝資源模型。

5)在裝配工步中編輯工步內(nèi)容，通過選擇子工步，輸入不同的操作信息。

1.3 建模過程

1.3.1 低壓渦輪部件裝配

在CAPP系統(tǒng)中接收產(chǎn)品設(shè)計模型，查看EBOM等信息，確認(rèn)模型完整性和準(zhǔn)確性。低壓渦輪部件主要包括試驗件本體、進(jìn)氣段組件、轉(zhuǎn)子組件、靜子組件、排氣機匣組件等部分。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 低壓渦輪部件

低壓渦輪部件的排氣機匣組件為不可拆卸的環(huán)形薄壁結(jié)構(gòu)，在裝配過程中，需要將引起管焊接組件和進(jìn)氣管焊接組件通過預(yù)留孔沿徑向深入到排氣段組件內(nèi)部；隨后沿軸向深入力矩扳手對連接處螺釘擰緊操作并達(dá)到規(guī)定力矩值。由于力矩扳手難以滿足狹小空間操作環(huán)境，并且深入排氣機匣組件內(nèi)部的空間可達(dá)性不高，因此，需要設(shè)計專用工裝來實現(xiàn)以上工藝要求。

初步設(shè)計的夾持工裝-延伸擰緊工裝包括兩部分：一部分是延長桿，另一部分是與螺釘連接的套筒，便于對螺釘?shù)臄Q緊。此工裝的延長桿一端與力矩扳手連接(還可以與棘輪扳手連接)，另一端與工裝的套筒連接。

1.3.2 裝配工藝規(guī)劃

低壓渦輪部件裝配主要包括試驗件本體裝配、進(jìn)氣段組件裝配、轉(zhuǎn)靜子組件裝配、低壓渦輪轉(zhuǎn)子裝配及平衡、排氣機匣組件裝配等工藝過程，如圖2所示。

圖2 裝配工藝流程

根據(jù)以上工藝規(guī)程規(guī)劃進(jìn)行MBOM的構(gòu)建，指定各工藝節(jié)點中的零組件，簽審后進(jìn)行工藝派工。

1.3.3 建立工序模型

針對排氣機匣組件裝配工藝對象，根據(jù)工藝分工信息依次建立工藝對象、工序、工步，定義裝配工序、工步結(jié)構(gòu)和次序等屬性。

1.3.4 關(guān)聯(lián)工藝資源

建立裝配工序初始模型后，將MBOM節(jié)點下的零組件指派到工序下作為該工序的消耗件，并添加制造資源(工裝、工具、輔材耗材等)。裝配工序?qū)ο蟀ǖ墓に囐Y源如表1所示。

表1 裝配工序?qū)ο蟮馁Y源列表

1.3.5 編輯工藝信息

在各工步中編制裝配工藝過程描述，錄入三維標(biāo)注、表格和文字說明等。完善工藝模型后發(fā)送數(shù)據(jù)至仿真軟件，實現(xiàn)三維數(shù)字化環(huán)境中的裝配規(guī)劃和仿真，如圖3所示。

圖3 裝配工藝模型

2 仿真優(yōu)化方法

2.1 仿真對象

本文針對排氣機匣組件裝配過程中的裝配可行性進(jìn)行仿真，包括：裝配順序驗證、裝配路徑規(guī)劃、干涉檢查。主要對零組件與零組件、零組件與工裝的動態(tài)干涉檢查分析，驗證工裝的可用性。

此裝配過程中，工藝可行性及工裝可用性不確定的部分為排氣段組件裝配中的安裝3個引起管焊接組件和1個進(jìn)氣管焊接組件。因此，對此裝配工步進(jìn)行仿真分析。

2.2 仿真過程

2.2.1 裝配過程規(guī)劃

定義各零組件的裝配順序，并進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃。裝配路徑規(guī)劃的依據(jù)是零組件的運動包絡(luò)體在不和其他物體發(fā)生干涉的情況下盡量最短。

由于低壓渦輪部件的結(jié)構(gòu)劃分合理，且空間復(fù)雜度較低，可利用裝配零組件的局部坐標(biāo)系進(jìn)行裝配路徑設(shè)計。初始裝配狀態(tài)為零組件裝配完成后的狀態(tài)，設(shè)計零組件的拆裝路徑，然后進(jìn)行路徑反轉(zhuǎn)即為裝配路徑。規(guī)劃的裝配過程如圖4所示。

圖4 裝配過程規(guī)劃

2.2.2 裝配過程仿真

1)分別選取引氣管焊接組件和進(jìn)氣管焊接組件，使用仿真軟件的自動路徑規(guī)劃功能進(jìn)行設(shè)計，沿渦輪機匣徑向伸出一定距離。

2)此過程中可使用干涉檢查工具實時檢測零組件與部件之間是否發(fā)生干涉或碰撞。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)干涉時會發(fā)出提示，并形成干涉檢查報告，以便于工藝設(shè)計人員進(jìn)行原因分析和工藝快速優(yōu)化。

3)選取夾持工裝-延伸擰緊工裝，使用手動路徑規(guī)劃功能，首先將工裝繞擰緊螺釘軸線旋出一定角度，隨后沿渦輪機匣氣流方向伸出一定距離。

4)此過程中使用干涉檢查工具實時檢測工裝與零組件和部件之間是否發(fā)生干涉或碰撞。

5)針對4個裝配零組件，重復(fù)以上4步操作，驗證是否發(fā)生干涉或碰撞現(xiàn)象，并進(jìn)行裝配路徑調(diào)整。

2.3 仿真工作創(chuàng)新點

本文結(jié)合航空發(fā)動機具體部件裝配工藝，提出了具體的裝配工藝模型建模、仿真、優(yōu)化方法。其次，運用數(shù)字化工具進(jìn)行虛擬驗證，提前發(fā)現(xiàn)實際操作中可能出現(xiàn)的問題，減少風(fēng)險。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真結(jié)果

在引氣管焊接組件和進(jìn)氣管焊接組件裝配過程中未發(fā)生干涉或碰撞，裝配工藝可行。

在使用夾持工裝-延伸擰緊工裝，用于進(jìn)行排氣機匣組件裝配內(nèi)部螺釘?shù)臄Q緊操作過程中，發(fā)現(xiàn)：

1)在擰緊連接螺釘?shù)倪^程中，延伸擰緊工裝單次擰緊超過90°后，與引氣管焊接組件發(fā)生干涉，如圖5所示。

2)使用此工裝進(jìn)行擰緊，需要對16個連接螺釘進(jìn)行重復(fù)操作；由于每次工裝擰緊角度不超過90°，每個螺釘需多次擰緊，浪費人工時。

圖5 工藝可行性仿真結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

在仿真環(huán)境中查看裝配零組件的三維模型，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)：4個連接螺釘?shù)膸缀沃行牡揭龤夤苓吘壸钸h(yuǎn)處的水平距離為129.082 mm；而夾持工裝-延伸擰緊工裝的擰緊轉(zhuǎn)接頭幾何中心到延伸柄幾何中心的水平距離為86.8 mm，小于129.082 mm。

因此，使用專用工裝擰緊螺釘?shù)霓D(zhuǎn)動過程中與零組件發(fā)生干涉，工藝或工裝設(shè)計有待優(yōu)化。

3.3 優(yōu)化設(shè)計

針對仿真分析結(jié)果進(jìn)行工藝調(diào)整，在不改變裝配工藝的前提下，修改工裝設(shè)計，為了防止轉(zhuǎn)動過程中與零組件發(fā)生干涉，將擰緊轉(zhuǎn)接頭幾何中心到延伸柄幾何中心的長度由86.8 mm增至139.082 mm以上，如圖6所示。

圖6 工裝優(yōu)化建議

3.4 成果應(yīng)用

通過對低壓渦輪部件裝配仿真及分析優(yōu)化，探索了使用仿真工具進(jìn)行三維數(shù)字化裝配規(guī)劃、仿真分析與可視化方法，為下階段仿真技術(shù)研究的體系化與標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。同時，可推廣應(yīng)用至其它相近專業(yè)，促進(jìn)數(shù)字化仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

基于現(xiàn)有數(shù)字化三維模型，以可視化方式展示產(chǎn)品的實際裝配過程，以數(shù)字化仿真代替裝配現(xiàn)場物理樣機的試裝過程，能夠檢驗整個裝配過程的裝配性，提供裝配干涉的適時檢查與報警，實現(xiàn)產(chǎn)品快速、精準(zhǔn)裝配，有利于縮短裝配周期，提高裝配成功率，實現(xiàn)高質(zhì)量、按計劃、成本受控的優(yōu)質(zhì)交付。

同時，整個裝配仿真過程形成的視頻材料可作為操作指導(dǎo)，幫助操作人員直觀地了解工步操作全過程，降低對工人的技術(shù)要求，規(guī)范操作步驟，提高質(zhì)量。

4 結(jié)論

本文完成了基于某型航空發(fā)動機低壓渦輪虛擬試驗件數(shù)字化裝配仿真分析初步研究，可以看出：應(yīng)用仿真軟件可以快速實現(xiàn)工藝規(guī)劃、優(yōu)化設(shè)計，具有直觀、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點。

仿真工作是一個反復(fù)優(yōu)化迭代的過程，航空發(fā)動機的裝配具有工藝復(fù)雜、變量多、關(guān)聯(lián)性強等特點。目前，虛擬現(xiàn)實、人工智能、實時計算技術(shù)的快速發(fā)展，為數(shù)字化裝配工藝在虛擬環(huán)境中的實現(xiàn)提供了更有效的支撐。結(jié)合高新技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)字化裝配設(shè)計與仿真的多元化、智能化，可作為下一階段的研究方向。