航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配仿真實施方案研究

李兆宇 李小強 金朝海 穆興科 王 亮 沈 重

航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配仿真實施方案研究

李兆宇1李小強1金朝海1穆興科2王 亮3沈 重2

（1. 北京航空航天大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2. 中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076； 3. 北京星航機電設(shè)備有限公司，北京 100074）

在某型號航天產(chǎn)品裝配仿真工作的基礎(chǔ)上提出一個具體的裝配仿真實施方案，詳細介紹裝配仿真工作的操作流程。該流程一共包含“了解裝配信息、準備仿真模型、裝配過程仿真、仿真結(jié)果輸出”四個階段。并具體闡述了方案實施的每個階段中要完成的工作和注意的問題。通過研究裝配仿真的實施方案，為今后順利開展其他航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配仿真工作提供參考。

裝配；仿真；實施方案；航空航天；復(fù)雜產(chǎn)品

1 引言

航空航天復(fù)雜產(chǎn)品（如飛機、火箭、導(dǎo)彈等）的子系統(tǒng)眾多，空間布局緊湊，零部件的數(shù)量數(shù)以萬計，導(dǎo)致裝配過程中會出現(xiàn)零部件之間干涉、裝配順序和裝配路徑難以規(guī)劃、安裝空間狹小等諸多問題。裝配仿真技術(shù)是當(dāng)前處理航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配問題的關(guān)鍵技術(shù)，它可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“實物驗證”的裝配模式，對仿真過程中發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)品裝配干涉、操作空間可達性等問題進行分析并優(yōu)化，最后完成對裝配工藝的驗證，保證其合理性。通過可視化的虛擬仿真形式可以有效提高產(chǎn)品的裝配成功率，并且可以減少產(chǎn)品的設(shè)計變更以及裝配工藝的規(guī)劃時間。

很多航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配仿真工作在開展時往往由于沒有提前制定合理的裝配仿真方案，導(dǎo)致工作效率低下，仿真進行不順利，因此開展航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配仿真需要有一個合理的實施方案。某型號航天產(chǎn)品的裝配仿真工作歷時六個月完成，采用CATIA軟件繪制三維模型，DELMIA軟件進行裝配仿真，在仿真過程中對產(chǎn)品的裝配工藝、工裝方案等進行了驗證。本文在該型號產(chǎn)品裝配仿真工作的基礎(chǔ)上結(jié)合國內(nèi)外裝配仿真方面的研究，提出了一個針對航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配仿真的方案，該方案成功應(yīng)用于該型號的裝配仿真工作中。圖1為裝配仿真實施方案的流程圖。

圖1 裝配仿真流程圖

2 裝配信息

根據(jù)某型號航天產(chǎn)品裝配仿真的經(jīng)驗，在裝配仿真之前，首先需要了解裝配信息，這是后續(xù)所有工作的基礎(chǔ)。裝配信息包括產(chǎn)品的系統(tǒng)組成以及產(chǎn)品的裝配工藝。航空航天復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，子系統(tǒng)眾多，不同系統(tǒng)實現(xiàn)不同的功能，且不同零組件的裝配工藝各異，如果對這些信息認識不清，在后續(xù)裝配仿真工作時很容易出現(xiàn)模型處理不完善、仿真動作遺漏等錯誤。

2.1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成

圖2 F-35裝配路線圖

可以通過繪制產(chǎn)品裝配路線圖的方式表達出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成，這種方式有助于加深對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的了解。例如對美國F-35戰(zhàn)機進行裝配仿真工作，首先可以通過構(gòu)建如圖2所示的裝配路線圖，充分了解其結(jié)構(gòu)組成。裝配路線圖應(yīng)詳細描述F-35戰(zhàn)機各個部件裝配的順序以及包含的零組件，并且要標注每個零部件的名稱。

2.2 產(chǎn)品的裝配工藝

首先了解產(chǎn)品的裝配順序、裝配路徑以及在裝配過程中所要用到的工裝等裝配資源，其次明確裝配仿真工作要驗證的裝配工藝目標，具體包括：

a. 對裝配過程中的順序、路徑的合理性進行驗證；

b. 對裝配過程中用到的工裝的可達性、可操作性進行驗證；

c. 對裝配過程中人的可達性、可視性進行驗證。

3 準備仿真模型

準備仿真模型指準備裝配仿真用到的數(shù)字化模型，準備工作包括對模型進行輕量化處理和簡化處理，以便于裝配仿真的順利進行。

3.1 產(chǎn)品數(shù)字化模型

3.1.1 產(chǎn)品模型

在進行產(chǎn)品的裝配仿真之前，需要準備完整的產(chǎn)品三維數(shù)字化模型。由于在產(chǎn)品的設(shè)計過程中會進行修改和優(yōu)化，所以在準備模型時要注意更新產(chǎn)品修改后的模型。

3.1.2 資源模型

裝配仿真過程中用到的裝配資源模型主要包含[1]：產(chǎn)品型架（用于支撐飛行器機身，并且可以準確定位和夾緊飛行器的零組件，便于工人進行裝配操作）、吊具、專用工裝（機械臂、滑軌、專用支架等）、工作梯、扳手等；同時也包括工人的模型。

3.2 模型的處理

3.2.1 模型的輕量化處理

CATIA軟件設(shè)計的模型文件為Product和Part格式，占用的數(shù)據(jù)量較大，如果不經(jīng)處理輸入到仿真軟件中，會導(dǎo)致占用計算機大量運行內(nèi)存，使仿真軟件運行卡頓。為保證仿真過程的流暢，通常需要將一些數(shù)據(jù)量很大的零組件模型的格式轉(zhuǎn)換為輕量化格式。在DELMIA軟件中，需要將數(shù)模的格式轉(zhuǎn)換成輕量化的cgr格式的文件，這種格式的文件不包含模型任何參數(shù)化的數(shù)據(jù)，僅保存了模型的外形信息[2]，從而大大減少了內(nèi)存的占用量。在裝配仿真過程中可以對輕量化模型進行測量、剖切、隱藏等操作。

在某型號飛行器的裝配仿真工作中，通過對飛行器模型的輕量化處理，大大減少了原始模型的內(nèi)存占用量，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 模型輕量化處理數(shù)據(jù)

3.2.2 模型的拆分處理

模型拆分處理的依據(jù)是裝配工藝設(shè)計中的裝配工藝分離面劃分。工藝分離面指為了滿足裝配需要，將飛行器結(jié)構(gòu)進一步劃分所形成的分離面[3，4]。航空航天復(fù)雜產(chǎn)品在裝配過程中需要對產(chǎn)品的部件進行細致的劃分，把部件分為段件，段件進一步劃分為板件和組件，能夠擴大產(chǎn)品裝配工作面，將工作分解、平行進行且便于采用更加簡單的裝配定位方法[5]。航空航天復(fù)雜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分解圖如圖3所示。

圖3 航空航天復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解圖

由于模型的設(shè)計過程與裝配工藝的設(shè)計過程相對獨立，產(chǎn)品的設(shè)計模型往往沒有按照裝配工藝分離面設(shè)計，沒有考慮到裝配仿真的需要，因此有必要對設(shè)計模型進行拆分處理。比如某產(chǎn)品起落架組件的設(shè)計模型只考慮了設(shè)計和管理的方便性，將支撐桿與螺釘設(shè)計成了一個零件，而裝配仿真時需要將螺釘連接到支撐桿上的過程體現(xiàn)出來，所以需要將該起落架模型拆分，將支撐桿和螺釘分別保存成單獨的零件，劃分出裝配工藝分離面。

4 裝配過程仿真

4.1 仿真步驟和內(nèi)容

4.1.1 仿真步驟

a. 在DELMIA中建立裝配流程文件；

b. 將裝配產(chǎn)品和工裝資源的模型導(dǎo)入DELMIA軟件中，由于一些模型在設(shè)計完成后命名時只有零件編號而缺少中文名稱，為了在仿真時便于識別零部件，應(yīng)為沒有中文名稱的模型添加中文名稱；

c. 定義產(chǎn)品、資源模型的初始位置及狀態(tài)，將其調(diào)整到合適的顯示視角和大小，并保存；

d. 在之前建立的仿真流程的結(jié)構(gòu)樹上插入仿真操作內(nèi)容（包括添加裝配動作、視角、隱藏和顯示以及文字注釋等）[1]，對產(chǎn)品進行裝配仿真。

4.1.2 仿真內(nèi)容

裝配仿真的主要內(nèi)容是對所裝配產(chǎn)品的裝配順序和裝配路徑的合理性、裝配操作空間的可達性和可視性以及人機功效等方面進行驗證，主要進行以下兩個方面的操作。

4.1.2.1 裝配干涉檢查

干涉檢查是裝配順序和路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)，也是判斷裝配順序和裝配路徑規(guī)劃的合理性的重要依據(jù)。所裝配的零部件在按照規(guī)劃的裝配順序和裝配路徑裝配時，確認不會與其他零部件發(fā)生干涉，才能保證裝配成功[5]。

在DELMIA中，裝配干涉分析可以通過打開“碰撞”開關(guān)實現(xiàn)，在有干涉的地方，會出現(xiàn)提示，如圖4所示。

圖4 DELMIA干涉檢查

4.1.2.2 人機工程仿真

人機工程仿真是通過在仿真軟件中建立人體模型[6]，模擬工人的實際裝配操作，進行動態(tài)仿真，分析工作人員的操作空間和姿態(tài)，從而驗證裝配空間的可達性、可視性及人機功效。通過人機工程仿真能夠進行如下幾個方面的研究：a.可達性分析，即分析所裝配的零部件能否在工人的裝配操作區(qū)域之內(nèi)，以此為一個標準來檢驗所規(guī)劃的零部件裝配序列、裝配路徑是否適合工人的實際裝配操作。b.可視性分析，即分析所裝配的零部件能否在工人裝配時的可視范圍之內(nèi)，以此為一個標準來檢驗所規(guī)劃的零部件裝配序列、裝配路徑是否適合工人的實際裝配操作。c.操作范圍的合理性與操作舒適性分析，即分析檢查裝配操作空間能否貼近工人實際的活動范圍，工人在操作空間內(nèi)進行作業(yè)時舒適性是否得到保障[7]。圖5為美國F-35戰(zhàn)機裝配仿真過程中使用的人機工程仿真，驗證了裝配可達性、可視性與作業(yè)空間的合理性。

圖5 F-35的人機工程仿真

人機工程仿真首先要建立人體模型，DELMIA中的人機工程模塊可以在虛擬環(huán)境里迅速建立人體原型，提供了不同比例的男女人體模型庫用于創(chuàng)建人體模型，并且可以對人體模型進行姿態(tài)和視角的調(diào)整。圖6為DELMIA中的人機模型設(shè)置。

圖6 DELMIA中的人機模型設(shè)置

人機工程仿真的難點在于設(shè)置虛擬人的姿態(tài)、動作等以便更加真實地模擬工人的實際裝配操作，設(shè)置的過程較為復(fù)雜繁瑣，需要花費大量的時間。圖7為典型的DELMIA中設(shè)置人的姿態(tài)的人機工程仿真。

圖7 DLEMIA中的人機工程仿真

4.2 仿真階段劃分

在進行裝配過程仿真時，由于航空航天復(fù)雜產(chǎn)品的裝配仿真工作量很大，需要花費較長時間，為了提高裝配仿真的效率，需要合理劃分裝配過程仿真的工作階段。根據(jù)某型號航天產(chǎn)品的裝配仿真工作經(jīng)驗，裝配過程仿真可劃分為三個階段，以達索公司對某公務(wù)機設(shè)計過程中使用的裝配仿真的圖示進行說明。

4.2.1 初步的全流程仿真

這一階段的仿真對象是產(chǎn)品的整體模型，主要是根據(jù)裝配方案及流程，對產(chǎn)品裝配的全過程進行一遍粗略的仿真，包括裝配序列仿真、簡單的裝配路徑仿真和干涉檢查。在這個階段可以省略人機工程仿真，以及工裝等制造資源的使用。

通過初步的全流程仿真，可以梳理出產(chǎn)品裝配的關(guān)鍵部位及關(guān)鍵部件,為后續(xù)的仿真做準備，同時可以驗證當(dāng)前流程的可行性。如圖8所示。

圖8 初步的全流程裝配

4.2.2 分系統(tǒng)仿真

圖9 分系統(tǒng)仿真

這一階段的仿真對象是產(chǎn)品各個系統(tǒng)的模型。由于在工藝人員進行裝配仿真過程中，設(shè)計人員也在對產(chǎn)品的模型狀態(tài)不斷優(yōu)化，隨著產(chǎn)品模型狀態(tài)的完善以及產(chǎn)品各系統(tǒng)設(shè)計的完成，工藝人員需要根據(jù)產(chǎn)品最新的模型狀態(tài)，在裝配廠房人員的參與下，結(jié)合工裝等外圍環(huán)境模型，針對產(chǎn)品的各個系統(tǒng)開展裝配仿真分析，具體包括裝配序列仿真、裝配路徑仿真、干涉檢查以及人機工程仿真。這一階段要詳細驗證出產(chǎn)品各系統(tǒng)的零組件在當(dāng)前裝配工藝下的可裝配性，及時發(fā)現(xiàn)并記錄各種干涉問題。通過分系統(tǒng)仿真，可以驗證產(chǎn)品裝配總體布局和產(chǎn)品各系統(tǒng)裝配方案的正確性，并對關(guān)鍵部位及關(guān)鍵部件進行仿真驗證，確保后續(xù)總裝和制造的風(fēng)險可控。如圖9所示。

4.2.3 全流程仿真

這一階段的仿真對象是產(chǎn)品的整體模型。首先需要整理出整個產(chǎn)品最新的基線模型，確定要仿真的模型狀態(tài)是最終凍結(jié)的狀態(tài)。然后在中期階段完成的產(chǎn)品各系統(tǒng)的仿真并確定的裝配方案基礎(chǔ)上，對產(chǎn)品整個模型進行全流程的仿真。仿真時，可簡化裝配路徑仿真，省略裝配干涉檢查，而裝配順序仿真和人機工程仿真則正常進行。這一階段是以分系統(tǒng)的仿真為基礎(chǔ)的，可以驗證總裝流程的可行性，為后續(xù)工廠的實際總裝工作奠定基礎(chǔ)。如圖10所示。

圖10 全流程仿真

4.3 仿真優(yōu)化

仿真優(yōu)化主要是對于干涉問題的優(yōu)化。裝配仿真過程中發(fā)現(xiàn)的干涉問題主要分兩類：一是產(chǎn)品自身設(shè)計上的干涉問題，應(yīng)及時反饋給產(chǎn)品設(shè)計人員，使其修改設(shè)計模型進行優(yōu)化。二是產(chǎn)品裝配時的出現(xiàn)的干涉問題，應(yīng)及時反饋給工藝人員，可以通過重新設(shè)計裝配順序和路徑，再通過仿真驗證，反復(fù)迭代，得出合理的裝配順序和路徑，優(yōu)化裝配工藝。

5 輸出仿真結(jié)果

在仿真完裝配過程之后，通常還需要優(yōu)化仿真視頻，如調(diào)整仿真視角、改變仿真時長等，從而更真實地模擬裝配過程，最后輸出仿真結(jié)果，表現(xiàn)形式如下：

5.1 仿真視頻

在錄制仿真視頻時，由于DELMIA軟件自帶的錄屏功能生成的視頻文件占用內(nèi)存很大，且錄制時間很長，因此建議采用專門的錄屏軟件對裝配仿真的動畫錄制視頻，這樣可以很大程度地減少錄制視頻用時和視頻內(nèi)存。

5.2 仿真文件

要將仿真所用的模型和生成的文件歸檔保存，根據(jù)實際項目經(jīng)驗，歸檔有以下幾點原則：

a. 分級建立文件夾，文件夾的層次不能過多，一般在四層左右。圖11為一個圖示范例。如果層數(shù)過多，會導(dǎo)致打開模型時出現(xiàn)軟件鏈接不到最后級別文件夾中的模型，或者鏈接出現(xiàn)錯誤，鏈接到別的層數(shù)較少的文件夾中。

b. 文件夾命名應(yīng)注意，最好附上模型的版本或建立的日期，以防與后續(xù)建立的文件夾混淆。

c. 文件夾建立的層次要清晰，第一級為一個總的文件夾，第二級為Product、Resource、Process等模型用途的分類，第三級為具體的零部件模型。

圖11 建立文件夾的示例

5.3 仿真分析報告

報告中應(yīng)該突出以下幾點內(nèi)容：

a. 裝配仿真前產(chǎn)品的基線模型和技術(shù)狀態(tài)；

b. 裝配工藝方案；

c. 裝配仿真要點；

d. 仿真過程中發(fā)現(xiàn)的問題及解決情況；

e. 裝配仿真的結(jié)論。

6 結(jié)束語

裝配仿真技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用于產(chǎn)品裝配的先進技術(shù)，對于航空航天復(fù)雜產(chǎn)品的裝配仿真工作，開展起來有一定的難度。本文根據(jù)某型號飛行器的裝配仿真工作，結(jié)合相關(guān)文獻，提出一個針對航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配仿真的實施方案，并在裝配仿真項目中驗證了此方案的其可行性，但方案中也存在不足之處，即裝配過程仿真時由于DELMIA軟件的局限性，沒有實現(xiàn)并行開展產(chǎn)品各個分系統(tǒng)的仿真，導(dǎo)致這一階段的工作時間增加。本文系統(tǒng)總結(jié)了裝配仿真工作流程，詳細記錄了裝配仿真工作中出現(xiàn)的問題以及需要注意的事項，為今后其他裝配仿真工作的開展提供一定的參考。

1 沈重，張家雄，戰(zhàn)玉曉，等. 基于DELMIA的復(fù)雜航天器數(shù)字裝配技術(shù)與應(yīng)用[J]. 航天制造技術(shù)，2015(1)：61～64

2 楊浩. 基于BIM鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計技術(shù)研究與開發(fā)[D].武漢：武漢大學(xué)，2018

3 飛機制造工藝導(dǎo)論[EB/OL]. [2018-10-24]. https://wenku.baidu.com/view/ 004737d2b52acfc788ebc956.html

4 飛機裝配工藝學(xué)[EB/OL]. [2018-9-13]. https://wenku.baidu.com/view/ 1ebda3ec19e8b8f67c1cb947.html

5 景武，趙所，劉春曉. 基于DELMIA的飛機三維裝配工藝設(shè)計與仿真[J].航空制造技術(shù)，2012，408(12)：80～86

6 沈波. DELMIA在ARJ21飛機中央翼裝配仿真中的應(yīng)用[J]. 機械設(shè)計與制造工程，2011，40(11)：42～45

7 林美安. 飛機機身裝配工藝及仿真技術(shù)研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2010

Implementation Scheme Research of Assembly Simulation of Aeronautic and Astronautic Complicated Products

Li Zhaoyu1Li Xiaoqiang1Jin Chaohai1Mu Xingke2Wang Liang3Shen Zhong2

(1. School of Mechanical Engineering & Automation, Beijing University of Aeronautic and Astronautic, Beijing 100191；2.China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076；3.Beijing Xinghang Electromechanical Equipment Co., Ltd., Beijing 100074)

In this paper, specific scheme is introduced based on the assembly simulation work of some astronautic product. The process consists of four steps (make sure assembly information, prepare simulation model, assembly process simulation, simulation results output), and all steps are presented in detail. By summarizing the successful work experience, a guide is provided for other assembly simulation task of aeronautic and astronautic complicated products.

assembly；simulation；scheme；aeronautic and astronautic；complicated products

2018-11-30

李兆宇（1993），碩士，飛行器制造專業(yè)；研究方向：數(shù)字化裝配技術(shù)。

國防基礎(chǔ)科研重點項目（JCKY2016204B203）。