基于模型仿真的發(fā)動(dòng)機(jī)維修性需求提升方法

■ 盧婷婷 白則群 邵傳金 陳乃威 / 中國(guó)航發(fā)商發(fā)

發(fā)動(dòng)機(jī)在投入運(yùn)營(yíng)后的維修性設(shè)計(jì)改進(jìn)會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本的激增以及運(yùn)營(yíng)收益的損失，因此在研發(fā)階段可通過提升維修性需求以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化，即從源頭確保設(shè)計(jì)在“做正確的事”。

良好的維修性對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、經(jīng)濟(jì)性及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。針對(duì)在翼發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)優(yōu)化或提升，會(huì)產(chǎn)生巨大的設(shè)計(jì)改進(jìn)成本及運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)損失[1]。成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)，可基于運(yùn)營(yíng)階段維護(hù)維修數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)維修性需求提升[2]。對(duì)于無歷史產(chǎn)品的企業(yè)，只能基于相似機(jī)型維修性探索維修性需求提升的方法，但相似產(chǎn)品的信息有限且并非完全可用，無法全面支撐維修性需求提升。因此，對(duì)于新研制的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)，可以通過模型仿真分析實(shí)現(xiàn)維修性需求提升，進(jìn)而提高維修性設(shè)計(jì)水平。

發(fā)動(dòng)機(jī)維修性需求提升概述

產(chǎn)品的維修性會(huì)影響系統(tǒng)效能、全生命周期費(fèi)用等[3]。民航領(lǐng)域的維修成本占裝置全部運(yùn)營(yíng)成本的11%～20%，其中動(dòng)力裝置部分約占40%[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)維修性設(shè)計(jì)不佳會(huì)導(dǎo)致一系列運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)及安全性問題。提高維修性設(shè)計(jì)水平，有助于降低全生命周期成本、增強(qiáng)產(chǎn)品性能恢復(fù)和運(yùn)營(yíng)能力以及推動(dòng)產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展。

基于系統(tǒng)工程原理，通過設(shè)計(jì)提高維修性水平，首先應(yīng)明確產(chǎn)品維修性需求，但在實(shí)際工作中，存在著需求無法量化、不可驗(yàn)證等問題，不利于需求落實(shí)及驗(yàn)證。項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)表明，由于需求不明確、不合理導(dǎo)致項(xiàng)目失敗的比例高達(dá)60%～70%[4]，有效的需求捕獲、管理以及合理的需求定義與分解，對(duì)于設(shè)計(jì)成功、項(xiàng)目成功以及產(chǎn)品成功意義重大。針對(duì)需求不合理的問題開展維修性需求提升的工作，可以確保需求可落實(shí)、可驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)通過設(shè)計(jì)提升產(chǎn)品的維修性水平的目標(biāo)。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)領(lǐng)域，常用的維修性需求提升的方法有：方法一，基于產(chǎn)品維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，提取信息，有針對(duì)性地優(yōu)化需求實(shí)現(xiàn)維修性需求提升；方法二，基于相似產(chǎn)品公開的信息，捕獲維修性提升的內(nèi)容，轉(zhuǎn)化為優(yōu)化的需求條目實(shí)現(xiàn)維修性需求提升。但上述方法存在局限性，方法一適用于成熟企業(yè)，即具有豐富的歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于無歷史產(chǎn)品的企業(yè)不適用；方法二捕獲的信息存在不完整、不適用的情況，無法全面支撐產(chǎn)品維修性需求提升。

針對(duì)新研制的商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性需求提升，建立相應(yīng)的工作流程，通過基于數(shù)字樣機(jī)的維修性仿真分析，可以實(shí)現(xiàn)維修性需求提升，并將該方法及工作流程在研制型號(hào)中應(yīng)用，已經(jīng)取得了良好的維修性需求提升的效果。

基于模型仿真的維修性需求提升總體框架

產(chǎn)品的使用和維修保障對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)維修性設(shè)計(jì)提出了更高的要求，并要求制定的維修性需求具有良好的可實(shí)現(xiàn)性和可驗(yàn)證性。在工業(yè)4.0大背景下，基于模型定義（MBD）技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，為基于模型仿真分析的維修性需求提升提供了參考和可行思路[2]。該方法普適性強(qiáng)、模型可復(fù)用性強(qiáng)，有助于提升設(shè)計(jì)效率、縮短研發(fā)周期、降低成本。

基于模型仿真分析的維修性需求提升方法可在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)階段的早期介入：通過仿真分析，識(shí)別維修性需求定義的不足；針對(duì)不可量化、不可驗(yàn)證等需求，識(shí)別量化需求、可驗(yàn)證需求的處理方法，優(yōu)化需求內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)維修性需求提升；以需求約束并指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)階段的維修性設(shè)計(jì)工作，最終實(shí)現(xiàn)維修性提升的目的。

維修性需求提升屬于發(fā)動(dòng)機(jī)維修性需求迭代與確認(rèn)工作的重要一環(huán)。根據(jù)美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）ARP4754A 飛機(jī)系統(tǒng)需求的驗(yàn)證與確認(rèn)（V&V）研制流程[3]，發(fā)動(dòng)機(jī)維修性需求V&V的層次關(guān)系如圖1所示。

依據(jù)維修性需求實(shí)現(xiàn)的V&V模型，開展基于模型仿真分析的維修性需求提升，首先應(yīng)搭建開展發(fā)動(dòng)機(jī)維修仿真分析的平臺(tái)；在平臺(tái)基礎(chǔ)上，開展維修操作仿真分析，形成優(yōu)化的維修性需求，作為設(shè)計(jì)要求進(jìn)行傳遞，實(shí)現(xiàn)研發(fā)過程中的維修性需求提升。

基于模型仿真分析的維修性需求提升方法

基于模型仿真分析的發(fā)動(dòng)機(jī)維修性需求提升，在建立完成的虛擬維修仿真環(huán)境的基礎(chǔ)上開展。工作資源包括創(chuàng)建仿真分析環(huán)境、制定模型化的維修操作仿真程序、制定維修仿真分析判定準(zhǔn)則及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在準(zhǔn)備資源完成的基礎(chǔ)上，開展基于模型的維修仿真操作以及維修性分析。通過量化等方式，優(yōu)化無法落實(shí)的需求，實(shí)現(xiàn)維修性需求提升。在設(shè)計(jì)工作中落實(shí)提升后的維修性需求，最終提高產(chǎn)品維修性設(shè)計(jì)水平。

基于模型仿真分析的維修性需求提升與落實(shí)方法的工作流程如圖2所示。

圖2 基于模型仿真分析的維修性需求提升工作流程

創(chuàng)建仿真分析環(huán)境

仿真分析環(huán)境是基于模型仿真分析的維修性需求提升的基礎(chǔ)，仿真環(huán)境要素包括發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字樣機(jī)、維修仿真資源模型、維修性仿真分析程序及維修性判定準(zhǔn)則等，各板塊內(nèi)容如圖3所示。

圖3 仿真分析環(huán)境創(chuàng)建

制定發(fā)動(dòng)機(jī)維修操作仿真程序

維修操作仿真程序是維修仿真過程中依據(jù)的仿真操作步驟。平臺(tái)中的仿真程序支持定制化和客戶化修改，以適應(yīng)不同維修場(chǎng)景下的分析要求。工作內(nèi)容包括：制定被分析對(duì)象在具體維修場(chǎng)景下的維修程序；基于被分析對(duì)象、虛擬人、虛擬工具的數(shù)字樣機(jī)，將維修程序動(dòng)作要素模型化；形成基于模型的分析對(duì)象的維修操作仿真程序。

制定維修性仿真分析判定準(zhǔn)則

基于發(fā)動(dòng)機(jī)可達(dá)性、可操作性和互換性等檢查原則，制定維修性仿真分析判定準(zhǔn)則，即仿真過程中發(fā)生何種狀態(tài)即可判定被分析對(duì)象的可達(dá)性、可操作性、可視性、操作空間以及維修姿態(tài)等設(shè)計(jì)存在問題。表1為航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙系統(tǒng)維修操作空間設(shè)計(jì)仿真分析判定準(zhǔn)則的示例。

如表1所示，仿真分析評(píng)分分值越小，表明維修可操作空間設(shè)計(jì)越好。在仿真分析平臺(tái)上開展分析工作時(shí)，評(píng)估分?jǐn)?shù)低于3分是設(shè)計(jì)可接受的；大于3分則表明被分析對(duì)象操作空間設(shè)計(jì)不佳，應(yīng)針對(duì)性地進(jìn)行維修性需求提升，以改進(jìn)維修性設(shè)計(jì)。

表1 維修性仿真分析判定準(zhǔn)則（維修操作空間設(shè)計(jì)示例）

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙打開空間的維修操作空間設(shè)計(jì)，制定了“短艙設(shè)計(jì)應(yīng)確保足夠的操作空間，以便于維修人員開展發(fā)動(dòng)機(jī)維修、維護(hù)等操作”這一定性需求。但該需求未量化，存在無法落實(shí)與驗(yàn)證的問題。通過開展基于模型仿真分析的維修性需求提升，可解決未量化、難驗(yàn)證的問題。

結(jié)合表1中的維修操作空間設(shè)計(jì)判定準(zhǔn)則，基于仿真程序在平臺(tái)中開展維修操作仿真分析，以不高于3分的操作空間仿真判定準(zhǔn)則調(diào)整短艙開合角度的具體設(shè)計(jì)要求值。

模擬仿真發(fā)動(dòng)機(jī)維修操作

在仿真平臺(tái)上，基于虛擬人、虛擬工具以及制定的維修操作仿真程序，開展發(fā)動(dòng)機(jī)維修演示仿真。圖4為針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙系統(tǒng)開展維修操作空間分析的示例。在航線維修及發(fā)動(dòng)機(jī)在翼更換兩個(gè)維修場(chǎng)景下的操作空間分析，可分別通過風(fēng)扇罩鉸鏈及后安裝節(jié)這兩個(gè)關(guān)鍵位置的維修操作仿真分析覆蓋。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)短艙操作空間仿真分析（示例）

指定維修場(chǎng)景下，關(guān)鍵分析點(diǎn)的維修操作仿真分析內(nèi)容包括以下內(nèi)容：

? 以生理視錐包絡(luò)范圍仿真分析可知，當(dāng)風(fēng)扇罩打開角度不低于46°時(shí)，風(fēng)扇罩連接鉸鏈在上述兩個(gè)維修場(chǎng)景下的維修操作可順利進(jìn)行，并保證維修操作人員視錐范圍覆蓋關(guān)鍵分析點(diǎn)；

? 以風(fēng)扇罩的操作空間分析準(zhǔn)則仿真分析可知，當(dāng)風(fēng)扇罩打開角度不低于45°時(shí)，風(fēng)扇罩連接鉸鏈在上述兩個(gè)維修場(chǎng)景下開展維修操作、執(zhí)行維修動(dòng)作時(shí)，與操作人員肢體發(fā)生干涉的對(duì)象不多于2處，即按仿真準(zhǔn)則分析評(píng)定，分?jǐn)?shù)不高于3分；

? 以生理視錐包絡(luò)范圍仿真分析可知，當(dāng)反推裝置打開角度不低于40°時(shí)，后安裝節(jié)在上述兩個(gè)維修場(chǎng)景下的維修操作可順利進(jìn)行，并保證維修操作人員視錐范圍覆蓋關(guān)鍵分析點(diǎn)；

? 以反推裝置的操作空間分析準(zhǔn)則仿真分析可知，當(dāng)反推裝置打開角度不低于45°時(shí)，后安裝節(jié)在上述兩個(gè)維修場(chǎng)景下開展維修操作、執(zhí)行維修動(dòng)作時(shí)，與操作人員肢體發(fā)生干涉的對(duì)象不多于2處，即按仿真準(zhǔn)則分析評(píng)定，分?jǐn)?shù)不高于3分。

分析、識(shí)別維修性需求的問題

在基于模型的維修操作演示與仿真的過程中，需要結(jié)合維修性仿真分析判定準(zhǔn)則，分析、識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)維修性需求定義不合理存在的問題，如關(guān)鍵參數(shù)未量化、需求不可驗(yàn)證等。針對(duì)“短艙設(shè)計(jì)應(yīng)確保足夠的操作空間，以便于維修人員開展發(fā)動(dòng)機(jī)維修、維護(hù)等操作”這一需求，通過基于維修場(chǎng)景的仿真分析，發(fā)現(xiàn)該需求無法驗(yàn)證，即對(duì)于足夠的空間約束，無法直接影響設(shè)計(jì)；且在評(píng)估、驗(yàn)證環(huán)節(jié)，無法判定需求是否被滿足。

通過基于模型仿真分析的維修性需求提升方法，將足夠的空間需求轉(zhuǎn)化為短艙打開角度的約束，即將在指定維修場(chǎng)景下短艙打開角度的定量約束，轉(zhuǎn)化為針對(duì)短艙操作空間的約束，實(shí)現(xiàn)需求提升，有效指導(dǎo)研發(fā)階段的維修性設(shè)計(jì)工作。

制定維修性需求提升和補(bǔ)償措施

結(jié)合模型仿真的分析內(nèi)容及識(shí)別的維修性需求定義問題，針對(duì)未量化、不可驗(yàn)證的維修性需求條目，可以制定需求提升或補(bǔ)償措施。具體提升方法應(yīng)結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)行判斷：經(jīng)綜合評(píng)估確定可開展設(shè)計(jì)更改的內(nèi)容，維修性需求提升可作為設(shè)計(jì)要求傳遞，進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)、優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品維修性提升；經(jīng)綜合評(píng)估確定不宜開展設(shè)計(jì)更改的內(nèi)容，應(yīng)制定維修性設(shè)計(jì)補(bǔ)償措施，即通過提高配套的維修保障資源，確保維修便利。

針對(duì)如航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的維修操作空間的維修性需求“短艙設(shè)計(jì)應(yīng)確保足夠的操作空間，以便于維修人員開展發(fā)動(dòng)機(jī)維修、維護(hù)等操作”，以航線維修及發(fā)動(dòng)機(jī)在翼更換兩種場(chǎng)景下關(guān)鍵維修點(diǎn)的維修操作仿真分析，將該需求轉(zhuǎn)化為可支持維修人員開展維修、維護(hù)操作的短艙設(shè)計(jì)開合角度的相關(guān)約束。

通過基于模型的仿真分析確定開合角度的設(shè)計(jì)約束值，形成提升后的維修性需求條目——為確保足夠的維修、維護(hù)操作空間，短艙設(shè)計(jì)的開合角度應(yīng)不小于46°。經(jīng)與短艙設(shè)計(jì)專業(yè)確認(rèn)，提升后的需求條目實(shí)現(xiàn)量化、可落實(shí)、可驗(yàn)證，且避免了超重等設(shè)計(jì)問題，并已應(yīng)用于型號(hào)短艙維修性設(shè)計(jì)工作中。

結(jié)束語

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性需求提升工作中，引入基于模型的仿真分析，可以在研發(fā)過程中及早識(shí)別維修性需求的問題，優(yōu)化維修性需求，實(shí)現(xiàn)需求提升，并在設(shè)計(jì)中落實(shí)。該方法目前已在典型的航線可更換單元（LRU）件的維修性提升工作中推廣應(yīng)用，解決了部分維修性需求未量化、無法落實(shí)、無法驗(yàn)證等問題。隨著該方法在項(xiàng)目工作中全面鋪開，對(duì)于實(shí)現(xiàn)全面的維修性需求提升及維修性設(shè)計(jì)優(yōu)化意義重大。