航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪數(shù)字化裝配仿真

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(中國(guó)航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 201306)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配工藝種類多、質(zhì)量要求高、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控嚴(yán)格。大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)處于設(shè)計(jì)研發(fā)階段，各型號(hào)的部件、組件、整機(jī)裝配任務(wù)繁重，呈現(xiàn)出多機(jī)型、小批量、更改頻繁等特點(diǎn)[1]。使用以前的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、半實(shí)物模裝、二維圖紙校核等，已不再適應(yīng)當(dāng)今時(shí)代潮流和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(jì)制造一體集成化技術(shù)，才能有望改變我國(guó)航空產(chǎn)品研制的落后狀態(tài)。國(guó)外實(shí)踐證明，仿真技術(shù)通過(guò)對(duì)高性能計(jì)算資源、發(fā)動(dòng)機(jī)各學(xué)科知識(shí)的集成，可有效支撐發(fā)動(dòng)機(jī)正向研發(fā)體系，快速實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)迭代優(yōu)化，從而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)規(guī)劃三維裝配順序、三維裝配路徑、三維裝配過(guò)程、相關(guān)制造工裝、車間設(shè)備和必要的人體模型，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和仿真技術(shù)，實(shí)施裝配過(guò)程的可視化操作與演示，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一步裝配操作的可視化分析，在計(jì)算機(jī)上以可視化方式展示產(chǎn)品的實(shí)際裝配過(guò)程，以數(shù)字化仿真代替裝配現(xiàn)場(chǎng)物理樣機(jī)的試裝過(guò)程，能夠檢驗(yàn)整個(gè)裝配過(guò)程的裝配性，提供裝配干涉的適時(shí)檢查與報(bào)警，實(shí)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(guó)外較成功的應(yīng)用如波音777客機(jī)、加拿大龐巴迪公司的Learjet45公務(wù)機(jī)。波音公司的777實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的三維虛擬裝配仿真和驗(yàn)證，通過(guò)飛機(jī)數(shù)字化裝配仿真和自動(dòng)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(shí)間由19周減少到3周，減少了設(shè)計(jì)變更，縮短了工藝規(guī)劃時(shí)間，裝配周期縮短50%，工藝設(shè)計(jì)周期縮短30%～50%，制造成本降低了20%～40%[5]。

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

國(guó)外對(duì)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(kāi)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(jì)與規(guī)劃。美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(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(jì)和工藝設(shè)計(jì)提供了有力支撐[7]。

西門子公司基于Tecnomatix開(kāi)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)了基于Tecnomatix軟件的裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)，有效指導(dǎo)了30多個(gè)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(guó)大型客機(jī)的研制階段采用MBD技術(shù)，已經(jīng)實(shí)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(jì)，形成了原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于達(dá)索公司DELMIA軟件平臺(tái)，在DELMIA/DPE模塊中通過(guò)裝配工藝結(jié)構(gòu)模板進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃，然后通過(guò)DELMIA/DPM模塊進(jìn)行裝配仿真驗(yàn)證，最后通過(guò)3D VIA-Composer進(jìn)行工藝文件發(fā)布[9-10]。

目前，國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)僅在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用了仿真技術(shù)，沒(méi)有涵蓋發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期的所有階段。同時(shí)，在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(tái)。結(jié)合國(guó)內(nèi)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)要求，對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)于2006年12月15日發(fā)布了HB 7803-2006《飛機(jī)數(shù)字化預(yù)裝配通用要求》，規(guī)定了飛機(jī)(含直升機(jī))研制過(guò)程中進(jìn)行數(shù)字化預(yù)裝配的通用要求。GB/T 26101-2010《機(jī)械產(chǎn)品虛擬裝配通用技術(shù)要求》規(guī)定了機(jī)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(jì)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(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)。

4)工藝模型：為滿足產(chǎn)品數(shù)字化制造過(guò)程中的工藝要求，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(wèn)題和對(duì)象

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化裝配仿真主要針對(duì)產(chǎn)品的裝配工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計(jì)及工裝驗(yàn)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(jì)，獲得可行且較優(yōu)的裝配工藝方案。

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

某型號(hào)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)處于研發(fā)階段，在其投產(chǎn)前，為驗(yàn)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(jì)工作十分必要。通過(guò)基于數(shù)字化模型的裝配工藝仿真技術(shù)，實(shí)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(yàn)證產(chǎn)品的可裝配性及其工藝過(guò)程，從而能及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃中的缺陷與錯(cuò)誤，從而進(jìn)行改進(jìn)。

1.2.2 確定仿真方法

1)通過(guò)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(yàn)件裝配工藝模型；

2)通過(guò)基于模型的動(dòng)態(tài)干涉分析，驗(yàn)證低壓渦輪性能試驗(yàn)件裝配工藝過(guò)程和工裝的可行性；

3)通過(guò)數(shù)字化的裝配工藝仿真，對(duì)現(xiàn)有工裝、工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2.3 建立仿真模型

設(shè)計(jì)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?jiǎng)澐衷瓌t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(diǎn)，創(chuàng)建裝配工藝對(duì)象，選擇各級(jí)屬性信息。

2)創(chuàng)建各級(jí)工序、工步對(duì)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(jì)并排序。

3)在當(dāng)前的MBOM列表中選擇裝配所需的發(fā)動(dòng)機(jī)零組件對(duì)象，指派到對(duì)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(guò)選擇子工步，輸入不同的操作信息。

1.3 建模過(guò)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(jì)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(yàn)件本體、進(jìn)氣段組件、轉(zhuǎn)子組件、靜子組件、排氣機(jī)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(jī)匣組件為不可拆卸的環(huán)形薄壁結(jié)構(gòu)，在裝配過(guò)程中，需要將引起管焊接組件和進(jìn)氣管焊接組件通過(guò)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(duì)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(jī)匣組件內(nèi)部的空間可達(dá)性不高，因此，需要設(shè)計(jì)專用工裝來(lái)實(shí)現(xiàn)以上工藝要求。

初步設(shè)計(jì)的夾持工裝-延伸擰緊工裝包括兩部分：一部分是延長(zhǎng)桿，另一部分是與螺釘連接的套筒，便于對(duì)螺釘?shù)臄Q緊。此工裝的延長(zhǎng)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(yàn)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(jī)匣組件裝配等工藝過(guò)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(diǎn)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(duì)排氣機(jī)匣組件裝配工藝對(duì)象，根據(jù)工藝分工信息依次建立工藝對(duì)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(diǎn)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(guò)程描述，錄入三維標(biāo)注、表格和文字說(shuō)明等。完善工藝模型后發(fā)送數(shù)據(jù)至仿真軟件，實(shí)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(duì)象

本文針對(duì)排氣機(jī)匣組件裝配過(guò)程中的裝配可行性進(jìn)行仿真，包括：裝配順序驗(yàn)證、裝配路徑規(guī)劃、干涉檢查。主要對(duì)零組件與零組件、零組件與工裝的動(dòng)態(tài)干涉檢查分析，驗(yàn)證工裝的可用性。

此裝配過(guò)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(gè)引起管焊接組件和1個(gè)進(jìn)氣管焊接組件。因此，對(duì)此裝配工步進(jìn)行仿真分析。

2.2 仿真過(guò)程

2.2.1 裝配過(guò)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(yùn)動(dòng)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(jì)。初始裝配狀態(tài)為零組件裝配完成后的狀態(tài)，設(shè)計(jì)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(guò)程如圖4所示。

圖4 裝配過(guò)程規(guī)劃

2.2.2 裝配過(guò)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(dòng)路徑規(guī)劃功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，沿渦輪機(jī)匣徑向伸出一定距離。

2)此過(guò)程中可使用干涉檢查工具實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shí)會(huì)發(fā)出提示，并形成干涉檢查報(bào)告，以便于工藝設(shè)計(jì)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(dòng)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(jī)匣氣流方向伸出一定距離。

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

5)針對(duì)4個(gè)裝配零組件，重復(fù)以上4步操作，驗(yàn)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(diǎn)

本文結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)用數(shù)字化工具進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，提前發(fā)現(xiàn)實(shí)際操作中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，減少風(fēng)險(xiǎn)。

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(guò)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(jī)匣組件裝配內(nèi)部螺釘?shù)臄Q緊操作過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)：

1)在擰緊連接螺釘?shù)倪^(guò)程中，延伸擰緊工裝單次擰緊超過(guò)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(duì)16個(gè)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(guò)90°，每個(gè)螺釘需多次擰緊，浪費(fèi)人工時(shí)。

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(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)：4個(gè)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(dòng)過(guò)程中與零組件發(fā)生干涉，工藝或工裝設(shè)計(jì)有待優(yōu)化。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)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(jì)，為了防止轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)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(zhǎng)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(guò)對(duì)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(shí)，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(shí)際裝配過(guò)程，以數(shù)字化仿真代替裝配現(xiàn)場(chǎng)物理樣機(jī)的試裝過(guò)程，能夠檢驗(yàn)整個(gè)裝配過(guò)程的裝配性，提供裝配干涉的適時(shí)檢查與報(bào)警，實(shí)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、按計(jì)劃、成本受控的優(yōu)質(zhì)交付。

同時(shí)，整個(gè)裝配仿真過(guò)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(guò)程，降低對(duì)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(dòng)機(jī)低壓渦輪虛擬試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)工藝規(guī)劃、優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有直觀、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

仿真工作是一個(gè)反復(fù)優(yōu)化迭代的過(guò)程，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配具有工藝復(fù)雜、變量多、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)等特點(diǎn)。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、實(shí)時(shí)計(jì)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(shí)現(xiàn)提供了更有效的支撐。結(jié)合高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)與仿真的多元化、智能化，可作為下一階段的研究方向。