翟 曉 田振宇 張宗強(qiáng)

基于Creo的固體火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用

翟 曉 田振宇 張宗強(qiáng)

（西安航天動力測控技術(shù)研究所，西安 710025）

為了提高固體火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)裝配效率及準(zhǔn)確性，以Creo軟件為平臺，研究了虛擬裝配技術(shù)在試驗(yàn)中的應(yīng)用。主要介紹了試驗(yàn)工裝三維建模過程、虛擬裝配方法，并通過干涉檢測分析方法檢測了試驗(yàn)結(jié)果、工裝設(shè)計。通過在某型號固體火箭發(fā)動機(jī)殼體外載荷試驗(yàn)中應(yīng)用表明，該方法不僅可以模擬試驗(yàn)裝配流程，驗(yàn)證工藝流程的合理性，而且可以對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行干涉檢測，推動了固體火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)數(shù)字化的進(jìn)程。

三維建模；虛擬裝配；干涉檢測

1 引言

固體火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)在試驗(yàn)裝配時不僅工裝數(shù)量較多，而且涉及到多種測試、加載設(shè)備的安裝。目前，固體火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)裝配存在諸多問題，主要表現(xiàn)：在二維設(shè)計圖紙基礎(chǔ)上編寫裝配工藝文件效率較低；裝配工藝優(yōu)化性能差、無法提前驗(yàn)證其合理性；二維圖紙和工藝文件對現(xiàn)場安裝的指導(dǎo)性差，容易造成錯裝、重裝等現(xiàn)象[1，2]。

虛擬裝配以數(shù)字化建模技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)、分析優(yōu)化技術(shù)為基礎(chǔ)，利用產(chǎn)品的三維模型在計算機(jī)界面模擬現(xiàn)場裝配情況，并允許操作人員通過各種指令控制產(chǎn)品的裝配過程。虛擬裝配過程無需實(shí)物參與，在產(chǎn)品設(shè)計階段即可利用CAD軟件實(shí)現(xiàn)從零件到組件、從組件到整體的復(fù)雜裝配過程，并通過裝配順序、路徑規(guī)劃、干涉分析等驗(yàn)證裝配的合理性。虛擬裝配技術(shù)在預(yù)裝配階段即可提前暴露安裝問題，對于提高裝配效率和質(zhì)量、降低成本有顯著作用，因此在工程、航天航空、軍事、建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3～5]。

本文以Creo軟件為平臺，研究了虛擬裝配技術(shù)在固體火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中的應(yīng)用，主要實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)裝配對象的三維建模，利用虛擬裝配技術(shù)優(yōu)化裝配工藝，并分析安裝干涉問題，驗(yàn)證安裝工具操作空間，避免錯裝和重裝，最終形成最優(yōu)化裝配方案。

2 建立三維模型

建立實(shí)體裝配對象的三維模型是進(jìn)行虛擬裝配的首要前提，參與試驗(yàn)的實(shí)體主要有試驗(yàn)工裝、設(shè)備、工位等。

其中，按照使用功能可以將試驗(yàn)工裝分為通用承載工裝和邊界支承工裝。通用承載工裝與試驗(yàn)室內(nèi)的固定承載件或邊界支承工裝構(gòu)成承載系統(tǒng)，主要包括承力點(diǎn)接頭、承力梁、承力地軌螺栓、拉桿系統(tǒng)以及標(biāo)準(zhǔn)立柱等，部分三維模型如圖1所示。邊界支承工裝是模擬試驗(yàn)件兩端邊界條件的工裝，主要包括加力梁、加力帽、籠形支承、試驗(yàn)平臺、模擬過渡段等，部分三維模型如圖2所示。

圖1 通用承載工裝三維模型

圖2 邊界支承工裝三維模型

圖3 液壓作動筒和試驗(yàn)工位三維模型

參與到裝配過程的試驗(yàn)設(shè)備主要為加載系統(tǒng)（液壓作動筒），三維模型如圖3a所示。試驗(yàn)工位主要指試驗(yàn)場地及試驗(yàn)室內(nèi)的固定承載件（承力點(diǎn)、承力地軌、承力墻、承力地坑等），與通用承載工裝組合構(gòu)成一個完整的承載系統(tǒng)，試驗(yàn)平臺及剪力墻等試驗(yàn)工位如圖3b所示，可以完成試驗(yàn)工裝和試驗(yàn)件的裝配及固定。

3 虛擬裝配

虛擬裝配技術(shù)主要在Creo環(huán)境中運(yùn)行。根據(jù)試驗(yàn)大綱提出的試驗(yàn)要求及初步確定的試驗(yàn)工藝流程，在Creo的裝配界面按照工藝流程進(jìn)行各零部件的組裝。以某型號固體火箭發(fā)動機(jī)殼體的外載荷試驗(yàn)為例，虛擬裝配的基本流程如下。

3.1 選擇試驗(yàn)工位

根據(jù)試驗(yàn)件連接尺寸及加載要求選擇匹配的試驗(yàn)工位，本試驗(yàn)主要使用試驗(yàn)平臺及剪力墻工位。

3.2 確定裝配工藝流程

裝配工藝流程是虛擬裝配技術(shù)的重要內(nèi)容，如圖4所示，為某型號固體火箭發(fā)動機(jī)殼體的外載荷試驗(yàn)裝配工藝流程。裝配過程涉及試驗(yàn)件、試驗(yàn)設(shè)備（液壓作動筒）、試驗(yàn)工裝在試驗(yàn)場地的安裝固定。

圖4 殼體外載荷試驗(yàn)裝配工藝流程

3.3 驗(yàn)證裝配工藝流程

圖5 作動筒固定板裝配過程圖

將試驗(yàn)件、試驗(yàn)工裝及試驗(yàn)設(shè)備，按照裝配工藝流程逐步導(dǎo)入Creo裝配模塊，并根據(jù)各零件之間的位置關(guān)系，使用“距離”、“重合”、“角度”、“法向”等放置約束將其安裝固定。作動筒固定板的裝配過程如圖5所示。另外，裝配過程需要綜合考慮安裝工具的可操作性。在試驗(yàn)用常用裝配工具包括螺絲刀、套筒、扳手、量具等，因此在虛擬裝配時加入工具的實(shí)體模型并分析空間可操作性，才能形成較為完善、符合實(shí)際操作的裝配工藝。圖6為扳手安裝承立柱螺栓的裝配過程圖，從圖中可以看出扳手的操作空間足夠，可順利安裝。

圖6 扳手安裝承力柱螺栓裝配過程

根據(jù)裝配工藝流程完成某型號固體火箭發(fā)動機(jī)殼體外載荷試驗(yàn)的裝配，過程中未出現(xiàn)試驗(yàn)工裝和試驗(yàn)件之間的碰撞，驗(yàn)證安裝流程設(shè)計合理，裝配結(jié)果如圖7所示。

圖7 某型號發(fā)動機(jī)殼體外載荷試驗(yàn)裝配結(jié)果

4 干涉檢測

圖8 安裝干涉情況

Creo軟件的虛擬裝配模塊具有多種類型的功能性檢測手段，利用分析模塊中的全局干涉、體積干涉、全局間隙和配合間隙等功能，可以檢測試驗(yàn)件與工裝、工裝與工裝的配合情況，依據(jù)檢查結(jié)果修改工裝尺寸或裝配方式。利用Creo虛擬裝配模塊中的全局干涉功能，檢查試驗(yàn)工裝裝配情況，發(fā)現(xiàn)過渡框與試驗(yàn)平臺、作動筒與底座之間存在干涉，如圖8所示。通過加長連接螺栓、修改底座尺寸，解決干涉問題，修改結(jié)果如圖9所示。

圖9 工裝干涉處理結(jié)果

由于虛擬裝配技術(shù)加強(qiáng)了裝配過程最關(guān)鍵的空間、尺寸控制，在虛擬裝配過程中不僅可以獲得試驗(yàn)件與工裝的尺寸配合從而指導(dǎo)現(xiàn)場安裝，并且可以對試驗(yàn)工裝設(shè)計的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，因此能夠提前發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的工裝、試驗(yàn)件的設(shè)計問題，降低技術(shù)風(fēng)險，提高裝配效率。

5 結(jié)束語

通過固體火箭發(fā)動機(jī)虛擬試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)工裝的三維可視化，并開展裝配順序規(guī)劃，有利于探索多種試驗(yàn)方案，幫助工藝人員獲得最優(yōu)化的裝配方案。同時可以驗(yàn)證安裝的準(zhǔn)確性，極大地避免實(shí)際試驗(yàn)裝配過程中可能出現(xiàn)的各種異?，F(xiàn)象，簡化試驗(yàn)裝配中檢測與診斷過程，提高試驗(yàn)的安全性與經(jīng)濟(jì)效益。因此，逐步深化虛擬裝配技術(shù)與實(shí)際試驗(yàn)過程的結(jié)合度，使虛擬裝配系統(tǒng)更好服務(wù)于試驗(yàn)階段，有助于提高固體火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)水平。

1 曹文鋼，王志忠，姜康，等. 三維裝配工藝設(shè)計方法研究[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2013，26(4)：8～10

2 熊濤，孫剛，劉孟周. 數(shù)字化技術(shù)在衛(wèi)星總裝中的應(yīng)用[J]. 航天器環(huán)境工程，2008，25(1)：80～83

3 謝叻，肖波，吳巧教，等. 虛擬裝配技術(shù)及應(yīng)用[J]. 模具技術(shù)，2006(1)：60～63

4 肖慶東，王仲奇，馬強(qiáng). 大型飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)研究[J]. 中國制造業(yè)信息化，2007，36(3)：26～29

5 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

Application of Virtual Assembly Technology for Test of SRM Based on Creo

Zhai Xiao Tian Zhenyu Zhang Zongqiang

(Xi’an Aerospace Propulsion Testing Institute, Xi’an 710025)

In order to improve the assembly efficiency and accuracy of test for SRM, the application of virtual assembly technology in the test is studied in this paper. The three-dimensional modeling process and virtual assembly method of test tooling are introduced, and the assembly results and tool designing are tested by mean of interference detection.The application in external load test of various kinds of SRM shell shows that this method can not only simulate the assembly process, verify the rationality of the process, but also interfere with the test results. Virtual assembly can promote the digitalization of SRM.

three-dimensional modeling；virtual assembly；interference detection

翟曉（1984），高級工程師，固體力學(xué)專業(yè)；研究方向：發(fā)動機(jī)靜強(qiáng)度試驗(yàn)研究。

2018-05-07