虚拟维修仿真航空器部件拆装维修性研究

虚拟维修仿真航空器部件拆装维修性研究

李辉

国营长虹机械厂  广西桂林  541003

摘要：维修性设计分析与验证运用维修性试验演示等分析手段发现维修性设计缺陷，对设计缺陷进行维修性影响程度分析，进而采取纠正措施改进产品设计特征并通过验证，是系统的维修性设计分析验证闭环过程。该项活动的有效实施可为设计人员最终设计决策提供有力依据。

关键词：虚拟维修仿真；航空器部件；拆装维修性；研究

引言：基于三维模型仿真平台，对某型发动机试验件典型航线可更换单元（LRU）进行虚拟维修仿真，通过可达性、可视性、维修姿态及操作空间分析，评估了目标LRU维修性水平，初步建立了基于虚拟维修仿真的民用航空发动机LRU维修性验证优化流程，基于该流程，针对后续发动机型号LRU维修性设计要求，持续优化外部管路维修性设计过程。

1 虚拟维修概述

从本质上讲，虚拟维修是一种对人机交互过程的仿真，利用计算机仿真与虚拟现实技术，模拟现实中的维修环境、维修对象及维修任务实施的过程来研究评判产品维修过程中可能存在的问题。虚拟维修技术可以作为一种有效的手段应用于民机研制的方案阶段与工程研制阶段：1)在方案阶段，通过虚拟维修开展总体布置方案的维修性分析，确定维修性的优劣，以避免频繁的构型更改；并对关键设备的维修过程进行仿真，全面验证系统与设备的维修性，为系统设计方案优化提供依据。2)在工程研制阶段，虚拟维修除了继续用于维修性的分析与验证工作外，还被作为规划保障资源与确定维修程序的重要依据。借助维修任务实施过程的模拟仿真，可以在研制阶段实现维修保障资源的合理规划，并辅助维修手册的编写，指导维修培训和以后的维修工作。虚拟维修将虚拟现实和维修性分析结合，通过虚拟技术创造出一个逼真的维修环境，真实地仿真实际维修过程，可以作为飞机研制阶段发现维修性问题的有效手段，从而验证飞机满足规定的维修性设计要求的程度，有助于提高飞机维修性设计水平。

2国内外现状及差距分析

近年来，欧美等发达国家已将虚拟现实技术广泛应用于舰船、飞机等总体设计制造的各个阶段中。使用和维修作为装备全寿期的重要环节，是虚拟现实技术应用的重点领域之一。洛克希德·马丁公司海空集成实验室“着陆和舰载适应性”研究小组在F-35战斗机项目中，利用实尺寸沉浸式投影环境、人体实时动作捕捉系统和力反馈装置等虚拟现实设施，通过3D激光扫描仪快速捕捉和创建3D模型，综合考虑基地和船舶适应性、人因工程、维修性和可靠性等因素，完成了内部武器装载、紧急捕捉钩操作、联合发电装置维护、加油装置降落检查保护、发动机拆卸、升力风扇拆卸、捆绑装置操作、水上维护时的飞机尾翼装置操作、噪音控制、外部武器装载、飞机清洗以及分布式孔径有效区域检查等装备使用、维修和技术保养等过程的虚拟仿真模拟分析。该项目利用虚拟模型替代物理模型，成本降低了50%以上，其通过在早期及时发现和解决问题，积极有效地改善了飞机设计，解决了多个核心领域的整合问题，为设计变更节省了7.5亿美元。国内研究的虚拟使用和维修系统大部分是通过接口从商用CAD系统中获取产品的数字化模型。目前对于舰船虚拟使用和维修平台的研究还不够深入，没有形成完整的体系，主要体现在：1）虚拟使用和维修模型的真实度不高。虚拟使用和维修样船与实船的相似程度有限，针对舰船产品的虚拟人体模型库尚属空白。2）虚拟使用和维修仿真的分析评价功能不强。对舰船使用和维修仿真过程中涉及的维修资源、作业流程和人员等因素缺乏系统的考虑，仅能提供初步的验证功能，无法实现对使用和维修进行定性或定量的分析评价。3）虚拟使用和维修应用系统的数据管控能力不强。缺乏合理、完善的组织及管理舰船使用和维修原始信息及仿真数据的技术手段。由于舰船虚拟使用和维修应用系统与商用CAD系统的数据转换过程繁琐，仿真结果、改进设计意见和建议不能及时、有效地反馈到CAD系统中，因而无法实现使用和维修性设计验证与总体设计的并行开展。

3基于虚拟维修仿真的维修性分析

3.1 虚拟维修仿真建模

（1）虚拟维修样机建模：数据准备阶段，提取CAD几何数据和装配关系等信息，同时初步建立仿真维修任务及过程描述。样机建模阶段，CAD几何数据转化及简化处理，完成虚拟样机几何建模，形成初步虚拟维修样机。样机成熟阶段，进行维修拆卸过程建模、人机交互过程建模及相关应用模型建模，输出到虚拟维修仿真系统。

（2）维修过程建模：

在进行维修过程建模时，维修人员凭借其对维修程序的理解、经验以及现场观察来完成具体的操作，并没有包含关于维修性人员操作、零部件运动、工具使用的所有信息。正因为如此，现有的虚拟仿真软件还不能完成对最小步骤的仿真。为实现虚拟维修仿真，需要对维修过程进行进一步分解，在确保分解层次结构最底层具有明确语义的同时，还能方便地通过软件实现仿真。因此，须以最基本维修动素为对象，针对不同维修过程进行分解，形成维修过程清单，依据维修过程清单进行维修仿真。

3.2 基于虚拟维修仿真的发动机维修性分析技术

可达性分析是指实体可达性分析，是考虑维修人员在不同身体姿态和辅助手段条件下与维修对象发生直接或间接接触的能力，主要采用打分法和指标量化法进行评判。可视性分析可根据人的生理视野区域特性建立可视錐进行评价，也可基于维修观察部位，绘制可观测角度的极限平面，通过截平面上显示的可观测角度来确定可视性好坏。维修操作空间分析是基于维修人员可能使用的工具、可能采用的维修姿态及维修对象的尺寸等相关要求，对维修过程中是否发生干涉进行评判，主要分析方法包括干涉与碰撞分析法[4]和指标量化法。工作姿态分析的内容是判断维修人员能否处于最佳作业姿势、运用最佳作业动作进行维修作业，主要采用快速上肢分析（RULA）、OWAS法。维修时间估算采用沉浸式仿真时间、MTM仿真时间和人工输入时间等方式对各维修动素进行估算，并按照具体任务串并联方式进行统一加权得出总的估算时间。

3.3 基于虚拟维修仿真的发动机维修性分析流程

借助基于虚拟维修仿真方法进行与设计相关的维修性分析与评定工作时，应符合相关维修方案、使用与维修环境、人员技术水平和维修级别等方面的约束与要求。主要包括：1）分析任务的确定，依据具体的维修性分析对象，确定维修性分析的目的、类别、项目；2）维修场景建模，建立包含维修性分析对象、维修工具、地面设备、维修人员的维修场景，并建立维修工具库；3）维修可视性分析，通过遍历虚拟人的位置和姿态，分析维修过程是否满足可视性要求，若无法满足，反馈到设计部门，建议设计更改；4）维修可达性分析，通过遍历虚拟人的位置和姿态，分析维修过程是否满足可达性要求，若无法满足，反馈到设计部门，建议设计更改；5）人员姿态舒适度判定，分析工作姿态的合理性，遍历虚拟人的身体姿态和位置，在满足可达性的前提下，寻找符合人体正常生理特征的姿态，若人体舒适度极差，反馈到设计部门，建议设计更改。

结束语：总之，通过虚拟维修仿真平台，对某型发动机试验件典型航线可更换单元进行了维修仿真，基于可达性、可视性、维修姿态及操作空间分析和实际验证结果，评估了伺服燃油加热器的维修性水平，初步建立了基于虚拟维修仿真的民用航空发动机LRU维修性验证流程，并基于该流程，对标后续发动机型号LRU维修性设计水平，不断优化外部管路维修性设计过程。

参考文献：

［1］蒋伟.基于虚拟人的维修可达性仿真及评价技术研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2009.

［2］王占海，翟庆刚，虞健飞，等.考虑工效学的飞机维修性虚拟分析和验证［J］.中国民航大学学报，2009，27（4）：56-59.