鄧云飛+張濤+熊艷麗

以某航天器動力支架系統(tǒng)總裝仿真過程為例，探討了 DELMIA軟件在飛行器裝配仿真中應(yīng)用的基本流程，討論了其中的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品數(shù)字化制造仿真具有一定的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。

三、仿真研究

1.產(chǎn)品裝配特點分析

某航天器前艙動力支架組件結(jié)構(gòu)是儀器安裝重要結(jié)構(gòu)件之一（圖 2），安裝在航天器前艙結(jié)構(gòu)框架上，用于維持姿控發(fā)動機(jī)的安裝剛度，承擔(dān)飛行過程中的載荷，安裝支架組件通過螺栓和管路接頭與飛行器框架連接。該裝配過程具有如下特點。

（1）產(chǎn)品零件較多，且部分?jǐn)?shù)模格式異構(gòu)，需要建立匹配的裝配模型。

（2）界面復(fù)雜，安裝支架不僅有螺栓連接的機(jī)械接口，還有電接插件電氣接口，裝配過程容易發(fā)生干涉，需要設(shè)計合理的工藝路徑。

（3）安裝空間狹小，部分螺栓需要特殊工具并進(jìn)行人機(jī)工程分析。

（4）產(chǎn)品裝配需要借助工裝，需要分析工裝的可行性、合理性。

2.仿真過程

（1）虛擬裝配建模。

虛擬裝配建模包括三個方面，一方面是產(chǎn)品模型，產(chǎn)品模型應(yīng)嚴(yán)格按照實際幾何關(guān)系和裝配關(guān)系創(chuàng)建，具有機(jī)構(gòu)運(yùn)動關(guān)系的需要定義機(jī)構(gòu)電子樣機(jī)，以保證對運(yùn)動部件進(jìn)行仿真的準(zhǔn)確性，在定義產(chǎn)品模型的過程中要特別注意盡量用統(tǒng)一的軟件如 CATIA建模，對不同格式的異構(gòu)模型，需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換；第二方面是資源模型，針對產(chǎn)品裝配過程實際需要使用的工人、工裝、托架、氣鉆和扳手等，資源模型應(yīng)單獨建立集成的模型資源庫，供不同產(chǎn)品裝配調(diào)用，圖 3為氣鉆模型；第三方面是環(huán)境模型，應(yīng)根據(jù)裝配廠房的實際布局情況，建立廠房吊車，桁架、過道等模型，以布局產(chǎn)品裝配的主要路徑，圖 4為裝配廠房模型。

（2）裝配順序規(guī)劃。

裝配順序規(guī)劃的步驟為將產(chǎn)品、廠房環(huán)境，資源（工裝、人、工具和設(shè)備）等數(shù)據(jù)導(dǎo)入到DELMIA DPE設(shè)計平臺后，進(jìn)行裝配工藝設(shè)計，根據(jù)初步的產(chǎn)品裝配方案，構(gòu)建詳細(xì)裝配工藝序列樹，進(jìn)行工藝序列節(jié)點創(chuàng)建（圖 5）。創(chuàng)建好的工藝序列在后續(xù)仿真模擬過程中，對不足之處可以通過軟件的邏輯關(guān)系進(jìn)行順序更改，以實現(xiàn)次序的合理和優(yōu)化。

（3）裝配路徑規(guī)劃。

裝配路徑規(guī)劃為利用已經(jīng)創(chuàng)建好的裝配環(huán)境和工藝節(jié)點上，通過對安裝支架組件裝配過程進(jìn)行三維動態(tài)仿真，設(shè)計合理的裝配路徑，在實物裝配前發(fā)現(xiàn)裝配路徑問題，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品或者工藝設(shè)計中的錯誤，圖 6為安裝支架的路徑設(shè)計示意圖。

（4）裝配過程仿真。

動力支架總裝主要是支架與航天器艙段之間的螺栓連接，對螺栓、螺母安裝通路中是否有干涉進(jìn)行仿真尤為關(guān)鍵，直接關(guān)系到裝配工藝路線的可行性。而且螺栓在安裝運(yùn)動過程中與周邊結(jié)構(gòu)的距離是個動態(tài)環(huán)境，需要分析過程中的干涉或者間隙情況，如圖 7所示。可運(yùn)用軟件中的干涉實時檢查演示功能，對裝配順序仿真過程進(jìn)行干涉檢查，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品 -資源之間存在的干涉情況，并以碰撞、產(chǎn)品名稱、矩陣三類顯示出干涉情況，幫助設(shè)計、工藝人員查找和分析干涉原因，如圖 8所示。

（5）人機(jī)工程分析。在仿真環(huán)境中，依據(jù)初始的裝配工藝流程，對動力支架的組件、成品和緊固件進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、定位和裝配操作，并根據(jù)工作程序的復(fù)雜程度，引入三維人體模型進(jìn)行人體操作的動態(tài)仿真分析，分析操作人員在該裝配過程中的可視性、可達(dá)性、姿態(tài)、負(fù)荷和舒適度等，驗證人體操作的可行性和合理性，從而為進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計提供反饋信息。在裝配仿真的過程中，DELMIA可以實現(xiàn)產(chǎn)品與產(chǎn)品、產(chǎn)品與工裝的動畫表達(dá)，人與物體進(jìn)行干涉檢查，當(dāng)系統(tǒng)識別存在干涉情況時報警，演示動畫自動停止，并給出干涉區(qū)域和干涉量，以幫助仿真人員查找和分析干涉原因，如圖 9、10所示。

DELMIA擁有完善的人體工學(xué)數(shù)據(jù)庫并提供自定義途徑，可以根據(jù)裝配人員的具體人體參數(shù)如身高、體重和臂展等定義到人體模型，在模擬操作過程中，根據(jù)經(jīng)驗公式計算每一個操作的人體可實現(xiàn)性，用三種不同顏色表達(dá)，如綠色表示在良好范圍內(nèi)，黃色則較疲勞，紅色則實現(xiàn)難度大或者不可能。仿真人員可以通過軟件中的肢體調(diào)節(jié)功能完成動作的重新定義，直到滿足要求為止，如圖 11所示。

裝配工裝是航天器裝配過程中的一個重要設(shè)備，其合理性直接影響產(chǎn)品裝配過程的可行性，通過引入工裝等制造資源的三維實體模型，對產(chǎn)品和制造資源進(jìn)行三維動態(tài)仿真，以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品與制造資源發(fā)生干涉或者產(chǎn)品工裝不符合人體工學(xué)的原因并進(jìn)行改進(jìn)，如圖 12所示。

（6）裝配過程評價。

通過完成裝配模型創(chuàng)建、裝配順序規(guī)劃、工藝路徑規(guī)劃等步驟后，對仿真過程中不同裝配方案的干涉情況以及操作效率進(jìn)行定性或者定量分析，對比預(yù)先設(shè)置的評價參數(shù)，對設(shè)計方案的合理性、裝配并行度、穩(wěn)定性、復(fù)雜性、成本和工藝性進(jìn)行評價。評價若為通過，則進(jìn)行結(jié)果輸出，評價若未通過，則將問題反饋進(jìn)行修改或者報告。通過動力支架裝配仿真驗證記錄，發(fā)現(xiàn)需要改進(jìn)的問題并提出如下解決措施。

①安裝部位空間狹小，施工性能差，部分螺栓需要無工具活動空間。解決措施：建議在安裝框腹板上開操作口，確保能實現(xiàn)操作。

②內(nèi)部安裝螺栓數(shù)量較多，安裝過程中有螺栓頭干涉現(xiàn)象。解決措施：適當(dāng)減少緊固件的數(shù)量。

③重量較大，操作人員肢體存在嚴(yán)重疲勞狀態(tài)，存在不安全因素。解決措施：安排兩人同時工作。

④安裝電纜在局部區(qū)域轉(zhuǎn)彎半徑不足。解決措施，改變電纜走向。

⑤產(chǎn)品裝配工裝經(jīng)過人體工學(xué)分析，人體舒適性差。解決措施：對工裝進(jìn)行優(yōu)化。

（7）裝配過程記錄。

通過運(yùn)用裝配過程仿真，獲取一條切實可行性的裝配規(guī)劃后，利用軟件將整個可行的裝配過程記錄，并使用軟件中的“切換攝像機(jī)角度”、“顯示/隱藏”、“延遲”及“添加文本”等形成可以播放的影片或者電子書格式，用于指導(dǎo)現(xiàn)場操作人員進(jìn)行飛行器裝配，實現(xiàn)可視化裝配，幫助操作人員直觀、形象地了解操作全過程，如圖 13所示。

（8）仿真結(jié)果輸出。

完成裝配仿真后，對仿真結(jié)果進(jìn)行整理，交付給設(shè)計或者工藝部門，主要包含以下幾項：①裝配模型的干涉檢查報告；②裝配過程仿真分析報告；③裝配順序、裝配路徑報告；④工藝流程電子書。

四、仿真過程中的關(guān)鍵技術(shù)

某航天器動力支架裝配仿真過程中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下四個方面。

（1）異構(gòu)模型重用技術(shù)。

由于動力支架包含不同供應(yīng)商提供的數(shù)模，數(shù)據(jù)格式存在差異（如 CATIA和 Pro/ENGINEER），需要開展不同異構(gòu)模型處理技術(shù)研究，解決部分零件供應(yīng)單位使用不同CAD接口軟件與原理樣機(jī)總裝引起的數(shù)據(jù)不協(xié)調(diào)問題。

（2）基于剛?cè)狁詈系任锢硖匦缘奶摂M裝配建模技術(shù)。

動力支架由機(jī)械結(jié)構(gòu)和電纜管路組成，柔性件與普通剛性零件仿真差異較大，需要研究電纜管路等柔性件特有建模方法，解決柔性件預(yù)裝配模型準(zhǔn)確度不足，仿真效果實用性差的問題，突破柔性零件模型物理特性賦值技術(shù)。

（3）基于知識工程（KBE）的虛擬裝配建模技術(shù)。

航天器虛擬裝配建模工作量巨大，涉及成千上萬個零件、緊固件和工裝夾具等，如果每一種元件都重新建模將消耗大量時間。另外建模往往由不同單位的人員通過協(xié)同方式創(chuàng)建，經(jīng)驗不盡相同，建立的模型可能千差萬別，不利于控制建模的質(zhì)量，也不利于后續(xù)更改，極有可能造成質(zhì)量隱患。需要研究基于知識工程的虛擬裝配建模技術(shù)，開發(fā)定制一整套包括緊固件、材料、電氣和工具等模型庫并集成到DELMIA中，實現(xiàn)規(guī)范有序的建模操作以及知識的快速重用，如圖 14所示。

（4）基于模型的定義技術(shù)（MBD）。

基于模型的定義技術(shù)是當(dāng)前制造業(yè)實現(xiàn)三維設(shè)計的優(yōu)選解決方案，用唯一的模型集成幾何、非幾何等所有涵蓋設(shè)計、加工和裝配等全部信息，統(tǒng)一產(chǎn)品壽命周期數(shù)據(jù)源。在虛擬裝配過程中，由于傳統(tǒng)的預(yù)裝配仿真模型只能看到產(chǎn)品的幾何信息，對于裝配技術(shù)條件、裝配精度等只能通過技術(shù)文件進(jìn)行傳遞，容易造成信息的失真和不協(xié)調(diào)。需將產(chǎn)品的全部物理信息定制到模型中，保障了仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和完整，如圖 15所示。

五、結(jié)語

本文就使用 DELMIA在某飛行器動力支架裝配仿真的應(yīng)用過程進(jìn)行了簡要介紹并討論了其中的關(guān)鍵技術(shù)。本文以項目研制需求為牽引，以驗證和改善產(chǎn)品的可裝配性為目的，通過運(yùn)用工藝過程規(guī)劃、動畫表達(dá)等手段，實現(xiàn)三維數(shù)字化預(yù)裝配仿真，對航天器三維數(shù)字化裝配仿真技術(shù)推廣和打造工業(yè)4.0 模式下智能工廠生產(chǎn)線具有重要的參考價值。IM