基于虛擬維修仿真的發(fā)動機航線可更換單元維修性驗證研究

白則群 陳乃威 顧海健 盧婷婷 邵傳金

摘要：基于三維模型仿真平臺，對某型發(fā)動機試驗件典型航線可更換單元（LRU）進行虛擬維修仿真，通過可達性、可視性、維修姿態(tài)及操作空間分析，評估了目標LRU維修性水平，初步建立了基于虛擬維修仿真的民用航空發(fā)動機LRU維修性驗證優(yōu)化流程，基于該流程，針對后續(xù)發(fā)動機型號LRU維修性設計要求，持續(xù)優(yōu)化外部管路維修性設計過程。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機；模型；LRU；維修性設計

Keywords：engine；model；LRU；maintainability design

0 引言

維修性設計分析與驗證運用維修性試驗演示等分析手段發(fā)現(xiàn)維修性設計缺陷，對設計缺陷進行維修性影響程度分析，進而采取糾正措施改進產(chǎn)品設計特征并通過驗證，是系統(tǒng)的維修性設計分析驗證閉環(huán)過程。該項活動的有效實施可為設計人員最終設計決策提供有力依據(jù)[1]。

依托虛擬仿真技術(shù)，上述活動可有效規(guī)避制造滯后于產(chǎn)品整體設計更改的客觀制約因素，避免設計資源的浪費，有利于設計的整體優(yōu)化。但該技術(shù)在國內(nèi)民用航空發(fā)動機領(lǐng)域應用還處于起步階段，特別是基于虛擬維修仿真的民用航空發(fā)動機航線可更換單元（LRU）維修性分析與驗證流程尚不完善，無法對航發(fā)產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)設計起到正向迭代作用，嚴重影響發(fā)動機維修性設計與結(jié)構(gòu)設計并行進程，降低產(chǎn)品市場競爭性。

本文針對某型民用航空發(fā)動機試驗件LRU進行基于虛擬維修仿真的維修性分析與驗證，并給出量化的分析結(jié)果，評估周圍管路布局對目標LRU維修性水平的影響，為發(fā)動機外部管路設計提供必要設計輸入。初步建立基于虛擬維修仿真的LRU維修性設計分析流程，隨著后續(xù)研制型號不斷迭代虛擬仿真維修性分析設計流程，優(yōu)化發(fā)動機外部管路結(jié)構(gòu)設計，為降低航發(fā)產(chǎn)品航線維修時間提供一種解決思路。

1 基于虛擬維修仿真的維修性分析

1.1 虛擬維修仿真建模

虛擬維修仿真可為設計人員提供設計和評估發(fā)動機維修性及維修性工藝過程的支持環(huán)境，利用虛擬仿真維修技術(shù)構(gòu)建包含發(fā)動機數(shù)字樣機與維修人員三維人體模型的虛擬環(huán)境，并借助必要手段與虛擬環(huán)境中的維修對象進行交互，實現(xiàn)對真實維修的模擬。主要包括虛擬維修樣機建模及維修過程建模。

1）虛擬維修樣機建模

虛擬維修樣機建模過程分為數(shù)據(jù)準備、樣機建模和樣機成熟三個階段，具體建模過程如圖1所示。

數(shù)據(jù)準備階段，提取CAD幾何數(shù)據(jù)和裝配關(guān)系等信息，同時初步建立仿真維修任務及過程描述。

樣機建模階段，CAD幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化及簡化處理，完成虛擬樣機幾何建模，形成初步虛擬維修樣機。

樣機成熟階段，進行維修拆卸過程建模、人機交互過程建模及相關(guān)應用模型建模，輸出到虛擬維修仿真系統(tǒng)。

2）維修過程建模

在進行維修過程建模時，維修人員憑借其對維修程序的理解、經(jīng)驗以及現(xiàn)場觀察來完成具體的操作，并沒有包含關(guān)于維修性人員操作、零部件運動、工具使用的所有信息。正因為如此，現(xiàn)有的虛擬仿真軟件還不能完成對最小步驟的仿真。為實現(xiàn)虛擬維修仿真，需要對維修過程進行進一步分解，在確保分解層次結(jié)構(gòu)最底層具有明確語義的同時，還能方便地通過軟件實現(xiàn)仿真。因此，須以最基本維修動素為對象，針對不同維修過程進行分解，形成維修過程清單，依據(jù)維修過程清單進行維修仿真。

1.2 基于虛擬維修仿真的發(fā)動機維修性分析技術(shù)

基于虛擬維修仿真的發(fā)動機維修性分析技術(shù)包括對維修對象的可達性分析、可視性分析、維修人員操作空間分析、工作姿態(tài)分析和維修時間估算，通過以上分析技術(shù)給出分析評價結(jié)果和修改建議。

可達性分析是指實體可達性分析，是考慮維修人員在不同身體姿態(tài)和輔助手段條件下與維修對象發(fā)生直接或間接接觸的能力，主要采用打分法和指標量化法進行評判?？梢曅苑治隹筛鶕?jù)人的生理視野區(qū)域特性建立可視錐進行評價，也可基于維修觀察部位，繪制可觀測角度的極限平面，通過截平面上顯示的可觀測角度來確定可視性好壞。維修操作空間分析是基于維修人員可能使用的工具、可能采用的維修姿態(tài)及維修對象的尺寸等相關(guān)要求，對維修過程中是否發(fā)生干涉進行評判，主要分析方法包括干涉與碰撞分析法[4]和指標量化法。工作姿態(tài)分析的內(nèi)容是判斷維修人員能否處于最佳作業(yè)姿勢、運用最佳作業(yè)動作進行維修作業(yè)，主要采用快速上肢分析（RULA）、OWAS法[2]。維修時間估算采用沉浸式仿真時間、MTM仿真時間和人工輸入時間等方式對各維修動素進行估算，并按照具體任務串并聯(lián)方式進行統(tǒng)一加權(quán)得出總的估算時間。

1.3 基于虛擬維修仿真的發(fā)動機維修性分析流程

借助基于虛擬維修仿真方法進行與設計相關(guān)的維修性分析與評定工作時，應符合相關(guān)維修方案、使用與維修環(huán)境、人員技術(shù)水平和維修級別等方面的約束與要求。虛擬維修分析工作的實施流程如圖2所示[3]，主要包括：

1）分析任務的確定，依據(jù)具體的維修性分析對象，確定維修性分析的目的、類別、項目；

2）維修場景建模，建立包含維修性分析對象、維修工具、地面設備、維修人員的維修場景，并建立維修工具庫；

3）維修可視性分析，通過遍歷虛擬人的位置和姿態(tài)，分析維修過程是否滿足可視性要求，若無法滿足，反饋到設計部門，建議設計更改；

4）維修可達性分析，通過遍歷虛擬人的位置和姿態(tài)，分析維修過程是否滿足可達性要求，若無法滿足，反饋到設計部門，建議設計更改；

5）人員姿態(tài)舒適度判定，分析工作姿態(tài)的合理性，遍歷虛擬人的身體姿態(tài)和位置，在滿足可達性的前提下，尋找符合人體正常生理特征的姿態(tài)，若人體舒適度極差，反饋到設計部門，建議設計更改；

6）人員施力判定，分析施力是否超過人體極限，若施力超過人體極限，反饋到設計部門，建議設計更改；

7）其他維修性指標分析，對維修任務進行維修時間估算，若有不符合指標的，反饋到設計部門，建議設計更改；

8）分析結(jié)果輸出，通過對維修過程的分析，輸出維修性分析與評估結(jié)果。

2基于虛擬維修仿真的發(fā)動機LRU維修性驗證評價及優(yōu)化

基于虛擬維修仿真的維修性驗證與評價的主要作用，是通過在一定的虛擬環(huán)境下對產(chǎn)品的虛擬樣機進行維修，分析、評價產(chǎn)品維修性的好壞，并及時將這些信息反饋給產(chǎn)品設計人員，便于產(chǎn)品維修性的改進和提高，同時，這一過程還可以用于產(chǎn)品維修性設計的閉環(huán)控制，從而改善當前維修性設計流程。

2.1發(fā)動機典型LRU件虛擬維修仿真

通過基于三維模型的虛擬仿真平臺process simulate，對某型發(fā)動機整機試驗件航線可更換單元LRU進行虛擬維修仿真，仿真內(nèi)容包括維修環(huán)境建模及導入和維修過程仿真。

1）維修環(huán)境建模及導入

首先，獲取相似機型的維修任務信息，包括維修拆裝工步和所需時間等。提取某型發(fā)動機整機試驗件CAD模型和相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并完成發(fā)動機CAD幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化及簡化處理，將整機及工具模型轉(zhuǎn)化為可供虛擬維修軟件讀取的 JT格式，經(jīng)過處理的三維模型如圖3所示。其次，將發(fā)動機、維修設備及維修人員模型JT格式導入虛擬維修仿真平臺，形成初始的虛擬維修環(huán)境。

2）維修過程仿真

在進行過程仿真時，通過虛擬人基本動作的組合如抓取、放下、行走等，可以完成所需的所有維修動作，也可以編輯人體的局部姿態(tài)，調(diào)整頭部、軀干、四肢等各個自由度，形成維修過程仿真。

基于軟件對某型整機試驗件伺服燃油加熱器、燃滑油散熱器和N1轉(zhuǎn)速傳感器等典型LRU件進行虛擬維修過程仿真，以伺服燃油加溫器拆卸為例，主要分為以下四步：

第一步：拆卸燃油進出口管，首先拆卸燃油進口管兩端螺母，其次移出燃油進口管，隨后拆除燃油出口管一端螺母和另一端法蘭壓板，最后移出燃油出口管；

第二步：拆除滑油進出口管，首先拆卸滑油進口管一端法蘭和另一端卡箍，其次移出滑油進口管，隨后拆除滑油出口管一端法蘭并松開另一端三通頭，最后移出滑油出口管；

第三步：拆卸支架，首先拆除固定支架卡箍的螺栓，隨后移出支架；

第四步：拆下伺服燃油加溫器，首先抓取伺服燃油加熱器，隨后移出伺服燃油加熱器。

2.2 基于虛擬維修仿真的發(fā)動機典型LRU件維修性分析

1）可達性分析

依據(jù)表1所示的評價準則，通過包絡球的覆蓋范圍判斷維修人員在整個拆裝過程中手臂可以到達的邊界。若目標零部件在包絡球內(nèi)，則可達性良好；若在包絡球邊緣，則可達性差；若在包絡球外，則不可達。

采用包絡球為分析手段，某型整機試驗件伺服燃油加熱器仿真拆卸過程中可達性分析：

a. 燃油進出口管拆卸全過程中，目標零件（燃油進口管、外套螺母、90°彎頭、環(huán)槽螺母、法蘭壓板、燃油出口管等）均在包絡球范圍內(nèi)，評分為1，可達性良好；

b. 在滑油進出口管拆卸全過程中，目標零件（滑油進口管、法蘭、卡箍、堵頭等）均在包絡球范圍內(nèi)，評分為1，可達性良好；

c. 在支架拆卸全過程中，目標零件（支架、螺母、卡箍等）均在包絡球范圍內(nèi)，評分為1，可達性良好；

d. 在拆下伺服燃油加熱器的全過程中，伺服燃油加熱器在包絡球范圍內(nèi)，評分為1，可達性良好。

2）可視性分析

依據(jù)表2所示的評價準則，通過確定人眼生理視野區(qū)域，得到人眼視線的可視錐，根據(jù)維修部位在可視錐中的分布位置對維修部位的可視性進行評價。

采用視錐法對某型整機試驗件伺服燃油加熱器仿真拆卸過程進行可視性分析：

a. 燃油出口管拆卸過程中，拆卸法蘭壓板時，法蘭壓板受遮擋嚴重，評分為8，可視性較差；

b. 滑油進出口管拆卸過程中，未出現(xiàn)零件遮擋現(xiàn)象，且各目標零件均被包絡于視錐內(nèi)，評分為1，可視性良好；

c. 支架拆卸過程中，螺母受遮擋，無法看到，但通過調(diào)整姿態(tài)可避免，評分為3；

d. 伺服燃油加熱器移出過程中，評分為1，可視性良好。

3）操作空間分析

根據(jù)維修過程中維修人員（整體或某部位）及所持工具設備是否與給定操作空間發(fā)射碰撞干涉，對操作空間充裕程度進行分析評價，參考表3所示的評價準則。

采用碰撞干涉分析法進行分析，若出現(xiàn)干涉，則標紅。某型整機試驗件伺服燃油加熱器仿真拆卸過程中操作空間分析：

a. 在燃油進口管拆卸過程中，虛擬人手部與導管、支架發(fā)生干涉，通過手臂調(diào)整可以避免干涉發(fā)生，評分為3；

b. 在燃油出口管拆卸過程中，人手與四處導管均發(fā)生干涉，扳手與“燃油泵和液壓機械裝置”發(fā)生干涉，且無法通過手臂調(diào)整避免，評分為8；

c. 在滑油進口管拆卸過程中，扳手與導管發(fā)生干涉，通過手臂角度適當調(diào)整可以避免干涉發(fā)生，評分為3；

d. 在滑油出口管拆卸過程中，人手與三處導管、球形導管接頭和堵頭等均發(fā)生干涉，扳手與法蘭發(fā)生干涉，且無法通過手臂調(diào)整避免，評分為8；

e. 在對支架固定螺母進行拆卸過程中，虛擬人手與支架、兩處導管、卡箍和三通接頭發(fā)生干涉，通過手臂角度適當調(diào)整也無法避免干涉發(fā)生，評分為8；

f. 在對支架進行移出過程中，虛擬人手與導管、伺服燃油加熱器發(fā)生干涉，無法通過姿態(tài)調(diào)整避免干涉發(fā)生，評分為3，建議更改支架構(gòu)型或位置；

g. 在對伺服燃油加熱器進行移出時，伺服燃油加熱器與燃滑油散熱器之間顯示干涉，通過姿態(tài)調(diào)整，可以避免干涉發(fā)生，評分為3。

4）維修姿態(tài)分析

采用快速上肢分析（RULA）或OWAS法，對拆裝過程的各維修姿態(tài)進行打分。

以OWAS法為例，通過對5位數(shù)的姿態(tài)編碼進行解析，自動生成行動等級分數(shù)（Action Category，AC）如表4所示，并通過顏色顯示判斷維修姿勢是否屬于正?；蛴泻ψ藙?。

以RULA法為例，通過對維修姿態(tài)左右半身包括上臂、前臂、手腕、手腕扭轉(zhuǎn)、頸部、軀干和腿進行打分，并綜合肌肉狀態(tài)（Muscle Use）和負荷分值（Force Use）加權(quán)，通過圖4和圖5所示表格進行打分。分值越高，姿態(tài)舒適度越差，改進緊迫程度越高。

采用RULA和OWAS法，對某型整機試驗件伺服燃油加熱器仿真拆卸過程姿態(tài)分析：

a. 燃油進出口管拆卸過程中，CA評級為1，維修姿態(tài)無需進行調(diào)整；

b. 滑油進出口管拆卸過程中，CA評級為1，維修姿態(tài)無需進行調(diào)整；

c. 以OWAS法為例，支架拆卸過程中，CA評級為1，維修姿態(tài)無需進行調(diào)整；以RULA法為例，支架拆卸過程中，左右半身最高評分為6，主要是頸部評分較高，可通過調(diào)整頸部姿態(tài)改善維修姿態(tài)；

d. 以OWAS法為例，伺服燃油加熱器移出過程中，CA評級為1，維修姿態(tài)無需進行調(diào)整；以RULA法為例，伺服燃油加熱器移出過程中，左右半身最高評分為4，可通過調(diào)整手腕部姿勢改善維修姿態(tài)。

2.3 基于虛擬維修仿真的發(fā)動機典型LRU件維修性評價及驗證

針對某型發(fā)動機試驗件伺服燃油加熱器基于虛擬維修仿真的維修性分析結(jié)果：

1）伺服燃油加熱器拆卸全過程中，可達性良好；

2）燃油出口管下端的法蘭壓板處受遮擋較多，可視性較差，且在拆卸時人手與周圍部件干涉較多，無法通過姿態(tài)調(diào)整改善可視性及干涉現(xiàn)象，建議重新布局接口和管路；

3）伺服燃油加熱器和燃滑油散熱器連接支板處的固定螺栓可視性較差，但通過姿態(tài)調(diào)整可以改善；

4）伺服燃油加熱器和燃滑油散熱器連接支板螺母拆卸和支板移出過程中，均出現(xiàn)無法避免的干涉現(xiàn)象，建議更改構(gòu)型及位置。

結(jié)合現(xiàn)場驗證，得出針對伺服燃油加熱器的結(jié)論：

1）伺服燃油加熱器燃油出口管路連接HMU端口處的法蘭壓板，徒手可從后部勉強伸入，但攜帶工具進行拆卸存在較大困難；

2）經(jīng)驗證，伺服燃油加熱器與燃滑油散熱器連接處固定卡箍的支板不存在無法取出的現(xiàn)象；

3）伺服燃油加熱器連接滑油進出口管處右側(cè)螺母使用工具拆卸困難，遮擋較多，需采用萬向棘輪扳手結(jié)合套筒進行拆卸。

通過基于虛擬維修仿真評價及實地驗證，將某型發(fā)動機典型LRU維修性設計水平反饋至設計部門，并進行迭代，實現(xiàn)了維修性設計流程的實施及維修性增長。

通過上述基于虛擬維修仿真的維修性分析方法，建立基于虛擬維修仿真的維修性分析及評價驗證流程，并在后續(xù)機型的研制中進行迭代，不斷優(yōu)化LRU周圍管路維修性設計過程。

3 總結(jié)

通過虛擬維修仿真平臺，對某型發(fā)動機試驗件典型航線可更換單元進行了維修仿真，基于可達性、可視性、維修姿態(tài)及操作空間分析和實際驗證結(jié)果，評估了伺服燃油加熱器的維修性水平，初步建立了基于虛擬維修仿真的民用航空發(fā)動機LRU維修性驗證流程，并基于該流程，對標后續(xù)發(fā)動機型號LRU維修性設計水平，不斷優(yōu)化外部管路維修性設計過程。

在后續(xù)維修性設計優(yōu)化的過程中，需要考慮維修任務時間的預計，結(jié)合任務動素串并聯(lián)方式，采用MTM時間估算法或基于實際經(jīng)驗的人工輸入法，對維修時間進行評估，從定量方面改進LRU的維修性設計水平，實現(xiàn)維修性增長。

參考文獻

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