李兆宇 李小強(qiáng) 金朝海 穆興科 王 亮 沈 重

航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配仿真實(shí)施方案研究

李兆宇1李小強(qiáng)1金朝海1穆興科2王 亮3沈 重2

（1. 北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076； 3. 北京星航機(jī)電設(shè)備有限公司，北京 100074）

在某型號(hào)航天產(chǎn)品裝配仿真工作的基礎(chǔ)上提出一個(gè)具體的裝配仿真實(shí)施方案，詳細(xì)介紹裝配仿真工作的操作流程。該流程一共包含“了解裝配信息、準(zhǔn)備仿真模型、裝配過程仿真、仿真結(jié)果輸出”四個(gè)階段。并具體闡述了方案實(shí)施的每個(gè)階段中要完成的工作和注意的問題。通過研究裝配仿真的實(shí)施方案，為今后順利開展其他航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配仿真工作提供參考。

裝配；仿真；實(shí)施方案；航空航天；復(fù)雜產(chǎn)品

1 引言

航空航天復(fù)雜產(chǎn)品（如飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等）的子系統(tǒng)眾多，空間布局緊湊，零部件的數(shù)量數(shù)以萬計(jì)，導(dǎo)致裝配過程中會(huì)出現(xiàn)零部件之間干涉、裝配順序和裝配路徑難以規(guī)劃、安裝空間狹小等諸多問題。裝配仿真技術(shù)是當(dāng)前處理航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配問題的關(guān)鍵技術(shù)，它可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“實(shí)物驗(yàn)證”的裝配模式，對(duì)仿真過程中發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)品裝配干涉、操作空間可達(dá)性等問題進(jìn)行分析并優(yōu)化，最后完成對(duì)裝配工藝的驗(yàn)證，保證其合理性。通過可視化的虛擬仿真形式可以有效提高產(chǎn)品的裝配成功率，并且可以減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)變更以及裝配工藝的規(guī)劃時(shí)間。

很多航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配仿真工作在開展時(shí)往往由于沒有提前制定合理的裝配仿真方案，導(dǎo)致工作效率低下，仿真進(jìn)行不順利，因此開展航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配仿真需要有一個(gè)合理的實(shí)施方案。某型號(hào)航天產(chǎn)品的裝配仿真工作歷時(shí)六個(gè)月完成，采用CATIA軟件繪制三維模型，DELMIA軟件進(jìn)行裝配仿真，在仿真過程中對(duì)產(chǎn)品的裝配工藝、工裝方案等進(jìn)行了驗(yàn)證。本文在該型號(hào)產(chǎn)品裝配仿真工作的基礎(chǔ)上結(jié)合國(guó)內(nèi)外裝配仿真方面的研究，提出了一個(gè)針對(duì)航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配仿真的方案，該方案成功應(yīng)用于該型號(hào)的裝配仿真工作中。圖1為裝配仿真實(shí)施方案的流程圖。

圖1 裝配仿真流程圖

2 裝配信息

根據(jù)某型號(hào)航天產(chǎn)品裝配仿真的經(jīng)驗(yàn)，在裝配仿真之前，首先需要了解裝配信息，這是后續(xù)所有工作的基礎(chǔ)。裝配信息包括產(chǎn)品的系統(tǒng)組成以及產(chǎn)品的裝配工藝。航空航天復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，子系統(tǒng)眾多，不同系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同的功能，且不同零組件的裝配工藝各異，如果對(duì)這些信息認(rèn)識(shí)不清，在后續(xù)裝配仿真工作時(shí)很容易出現(xiàn)模型處理不完善、仿真動(dòng)作遺漏等錯(cuò)誤。

2.1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成

圖2 F-35裝配路線圖

可以通過繪制產(chǎn)品裝配路線圖的方式表達(dá)出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成，這種方式有助于加深對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的了解。例如對(duì)美國(guó)F-35戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行裝配仿真工作，首先可以通過構(gòu)建如圖2所示的裝配路線圖，充分了解其結(jié)構(gòu)組成。裝配路線圖應(yīng)詳細(xì)描述F-35戰(zhàn)機(jī)各個(gè)部件裝配的順序以及包含的零組件，并且要標(biāo)注每個(gè)零部件的名稱。

2.2 產(chǎn)品的裝配工藝

首先了解產(chǎn)品的裝配順序、裝配路徑以及在裝配過程中所要用到的工裝等裝配資源，其次明確裝配仿真工作要驗(yàn)證的裝配工藝目標(biāo)，具體包括：

a. 對(duì)裝配過程中的順序、路徑的合理性進(jìn)行驗(yàn)證；

b. 對(duì)裝配過程中用到的工裝的可達(dá)性、可操作性進(jìn)行驗(yàn)證；

c. 對(duì)裝配過程中人的可達(dá)性、可視性進(jìn)行驗(yàn)證。

3 準(zhǔn)備仿真模型

準(zhǔn)備仿真模型指準(zhǔn)備裝配仿真用到的數(shù)字化模型，準(zhǔn)備工作包括對(duì)模型進(jìn)行輕量化處理和簡(jiǎn)化處理，以便于裝配仿真的順利進(jìn)行。

3.1 產(chǎn)品數(shù)字化模型

3.1.1 產(chǎn)品模型

在進(jìn)行產(chǎn)品的裝配仿真之前，需要準(zhǔn)備完整的產(chǎn)品三維數(shù)字化模型。由于在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中會(huì)進(jìn)行修改和優(yōu)化，所以在準(zhǔn)備模型時(shí)要注意更新產(chǎn)品修改后的模型。

3.1.2 資源模型

裝配仿真過程中用到的裝配資源模型主要包含[1]：產(chǎn)品型架（用于支撐飛行器機(jī)身，并且可以準(zhǔn)確定位和夾緊飛行器的零組件，便于工人進(jìn)行裝配操作）、吊具、專用工裝（機(jī)械臂、滑軌、專用支架等）、工作梯、扳手等；同時(shí)也包括工人的模型。

3.2 模型的處理

3.2.1 模型的輕量化處理

CATIA軟件設(shè)計(jì)的模型文件為Product和Part格式，占用的數(shù)據(jù)量較大，如果不經(jīng)處理輸入到仿真軟件中，會(huì)導(dǎo)致占用計(jì)算機(jī)大量運(yùn)行內(nèi)存，使仿真軟件運(yùn)行卡頓。為保證仿真過程的流暢，通常需要將一些數(shù)據(jù)量很大的零組件模型的格式轉(zhuǎn)換為輕量化格式。在DELMIA軟件中，需要將數(shù)模的格式轉(zhuǎn)換成輕量化的cgr格式的文件，這種格式的文件不包含模型任何參數(shù)化的數(shù)據(jù)，僅保存了模型的外形信息[2]，從而大大減少了內(nèi)存的占用量。在裝配仿真過程中可以對(duì)輕量化模型進(jìn)行測(cè)量、剖切、隱藏等操作。

在某型號(hào)飛行器的裝配仿真工作中，通過對(duì)飛行器模型的輕量化處理，大大減少了原始模型的內(nèi)存占用量，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 模型輕量化處理數(shù)據(jù)

3.2.2 模型的拆分處理

模型拆分處理的依據(jù)是裝配工藝設(shè)計(jì)中的裝配工藝分離面劃分。工藝分離面指為了滿足裝配需要，將飛行器結(jié)構(gòu)進(jìn)一步劃分所形成的分離面[3，4]。航空航天復(fù)雜產(chǎn)品在裝配過程中需要對(duì)產(chǎn)品的部件進(jìn)行細(xì)致的劃分，把部件分為段件，段件進(jìn)一步劃分為板件和組件，能夠擴(kuò)大產(chǎn)品裝配工作面，將工作分解、平行進(jìn)行且便于采用更加簡(jiǎn)單的裝配定位方法[5]。航空航天復(fù)雜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分解圖如圖3所示。

圖3 航空航天復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解圖

由于模型的設(shè)計(jì)過程與裝配工藝的設(shè)計(jì)過程相對(duì)獨(dú)立，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模型往往沒有按照裝配工藝分離面設(shè)計(jì)，沒有考慮到裝配仿真的需要，因此有必要對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行拆分處理。比如某產(chǎn)品起落架組件的設(shè)計(jì)模型只考慮了設(shè)計(jì)和管理的方便性，將支撐桿與螺釘設(shè)計(jì)成了一個(gè)零件，而裝配仿真時(shí)需要將螺釘連接到支撐桿上的過程體現(xiàn)出來，所以需要將該起落架模型拆分，將支撐桿和螺釘分別保存成單獨(dú)的零件，劃分出裝配工藝分離面。

4 裝配過程仿真

4.1 仿真步驟和內(nèi)容

4.1.1 仿真步驟

a. 在DELMIA中建立裝配流程文件；

b. 將裝配產(chǎn)品和工裝資源的模型導(dǎo)入DELMIA軟件中，由于一些模型在設(shè)計(jì)完成后命名時(shí)只有零件編號(hào)而缺少中文名稱，為了在仿真時(shí)便于識(shí)別零部件，應(yīng)為沒有中文名稱的模型添加中文名稱；

c. 定義產(chǎn)品、資源模型的初始位置及狀態(tài)，將其調(diào)整到合適的顯示視角和大小，并保存；

d. 在之前建立的仿真流程的結(jié)構(gòu)樹上插入仿真操作內(nèi)容（包括添加裝配動(dòng)作、視角、隱藏和顯示以及文字注釋等）[1]，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行裝配仿真。

4.1.2 仿真內(nèi)容

裝配仿真的主要內(nèi)容是對(duì)所裝配產(chǎn)品的裝配順序和裝配路徑的合理性、裝配操作空間的可達(dá)性和可視性以及人機(jī)功效等方面進(jìn)行驗(yàn)證，主要進(jìn)行以下兩個(gè)方面的操作。

4.1.2.1 裝配干涉檢查

干涉檢查是裝配順序和路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)，也是判斷裝配順序和裝配路徑規(guī)劃的合理性的重要依據(jù)。所裝配的零部件在按照規(guī)劃的裝配順序和裝配路徑裝配時(shí)，確認(rèn)不會(huì)與其他零部件發(fā)生干涉，才能保證裝配成功[5]。

在DELMIA中，裝配干涉分析可以通過打開“碰撞”開關(guān)實(shí)現(xiàn)，在有干涉的地方，會(huì)出現(xiàn)提示，如圖4所示。

圖4 DELMIA干涉檢查

4.1.2.2 人機(jī)工程仿真

人機(jī)工程仿真是通過在仿真軟件中建立人體模型[6]，模擬工人的實(shí)際裝配操作，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，分析工作人員的操作空間和姿態(tài)，從而驗(yàn)證裝配空間的可達(dá)性、可視性及人機(jī)功效。通過人機(jī)工程仿真能夠進(jìn)行如下幾個(gè)方面的研究：a.可達(dá)性分析，即分析所裝配的零部件能否在工人的裝配操作區(qū)域之內(nèi)，以此為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來檢驗(yàn)所規(guī)劃的零部件裝配序列、裝配路徑是否適合工人的實(shí)際裝配操作。b.可視性分析，即分析所裝配的零部件能否在工人裝配時(shí)的可視范圍之內(nèi)，以此為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來檢驗(yàn)所規(guī)劃的零部件裝配序列、裝配路徑是否適合工人的實(shí)際裝配操作。c.操作范圍的合理性與操作舒適性分析，即分析檢查裝配操作空間能否貼近工人實(shí)際的活動(dòng)范圍，工人在操作空間內(nèi)進(jìn)行作業(yè)時(shí)舒適性是否得到保障[7]。圖5為美國(guó)F-35戰(zhàn)機(jī)裝配仿真過程中使用的人機(jī)工程仿真，驗(yàn)證了裝配可達(dá)性、可視性與作業(yè)空間的合理性。

圖5 F-35的人機(jī)工程仿真

人機(jī)工程仿真首先要建立人體模型，DELMIA中的人機(jī)工程模塊可以在虛擬環(huán)境里迅速建立人體原型，提供了不同比例的男女人體模型庫用于創(chuàng)建人體模型，并且可以對(duì)人體模型進(jìn)行姿態(tài)和視角的調(diào)整。圖6為DELMIA中的人機(jī)模型設(shè)置。

圖6 DELMIA中的人機(jī)模型設(shè)置

人機(jī)工程仿真的難點(diǎn)在于設(shè)置虛擬人的姿態(tài)、動(dòng)作等以便更加真實(shí)地模擬工人的實(shí)際裝配操作，設(shè)置的過程較為復(fù)雜繁瑣，需要花費(fèi)大量的時(shí)間。圖7為典型的DELMIA中設(shè)置人的姿態(tài)的人機(jī)工程仿真。

圖7 DLEMIA中的人機(jī)工程仿真

4.2 仿真階段劃分

在進(jìn)行裝配過程仿真時(shí)，由于航空航天復(fù)雜產(chǎn)品的裝配仿真工作量很大，需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，為了提高裝配仿真的效率，需要合理劃分裝配過程仿真的工作階段。根據(jù)某型號(hào)航天產(chǎn)品的裝配仿真工作經(jīng)驗(yàn)，裝配過程仿真可劃分為三個(gè)階段，以達(dá)索公司對(duì)某公務(wù)機(jī)設(shè)計(jì)過程中使用的裝配仿真的圖示進(jìn)行說明。

4.2.1 初步的全流程仿真

這一階段的仿真對(duì)象是產(chǎn)品的整體模型，主要是根據(jù)裝配方案及流程，對(duì)產(chǎn)品裝配的全過程進(jìn)行一遍粗略的仿真，包括裝配序列仿真、簡(jiǎn)單的裝配路徑仿真和干涉檢查。在這個(gè)階段可以省略人機(jī)工程仿真，以及工裝等制造資源的使用。

通過初步的全流程仿真，可以梳理出產(chǎn)品裝配的關(guān)鍵部位及關(guān)鍵部件,為后續(xù)的仿真做準(zhǔn)備，同時(shí)可以驗(yàn)證當(dāng)前流程的可行性。如圖8所示。

圖8 初步的全流程裝配

4.2.2 分系統(tǒng)仿真

圖9 分系統(tǒng)仿真

這一階段的仿真對(duì)象是產(chǎn)品各個(gè)系統(tǒng)的模型。由于在工藝人員進(jìn)行裝配仿真過程中，設(shè)計(jì)人員也在對(duì)產(chǎn)品的模型狀態(tài)不斷優(yōu)化，隨著產(chǎn)品模型狀態(tài)的完善以及產(chǎn)品各系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完成，工藝人員需要根據(jù)產(chǎn)品最新的模型狀態(tài)，在裝配廠房人員的參與下，結(jié)合工裝等外圍環(huán)境模型，針對(duì)產(chǎn)品的各個(gè)系統(tǒng)開展裝配仿真分析，具體包括裝配序列仿真、裝配路徑仿真、干涉檢查以及人機(jī)工程仿真。這一階段要詳細(xì)驗(yàn)證出產(chǎn)品各系統(tǒng)的零組件在當(dāng)前裝配工藝下的可裝配性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并記錄各種干涉問題。通過分系統(tǒng)仿真，可以驗(yàn)證產(chǎn)品裝配總體布局和產(chǎn)品各系統(tǒng)裝配方案的正確性，并對(duì)關(guān)鍵部位及關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，確保后續(xù)總裝和制造的風(fēng)險(xiǎn)可控。如圖9所示。

4.2.3 全流程仿真

這一階段的仿真對(duì)象是產(chǎn)品的整體模型。首先需要整理出整個(gè)產(chǎn)品最新的基線模型，確定要仿真的模型狀態(tài)是最終凍結(jié)的狀態(tài)。然后在中期階段完成的產(chǎn)品各系統(tǒng)的仿真并確定的裝配方案基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品整個(gè)模型進(jìn)行全流程的仿真。仿真時(shí)，可簡(jiǎn)化裝配路徑仿真，省略裝配干涉檢查，而裝配順序仿真和人機(jī)工程仿真則正常進(jìn)行。這一階段是以分系統(tǒng)的仿真為基礎(chǔ)的，可以驗(yàn)證總裝流程的可行性，為后續(xù)工廠的實(shí)際總裝工作奠定基礎(chǔ)。如圖10所示。

圖10 全流程仿真

4.3 仿真優(yōu)化

仿真優(yōu)化主要是對(duì)于干涉問題的優(yōu)化。裝配仿真過程中發(fā)現(xiàn)的干涉問題主要分兩類：一是產(chǎn)品自身設(shè)計(jì)上的干涉問題，應(yīng)及時(shí)反饋給產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員，使其修改設(shè)計(jì)模型進(jìn)行優(yōu)化。二是產(chǎn)品裝配時(shí)的出現(xiàn)的干涉問題，應(yīng)及時(shí)反饋給工藝人員，可以通過重新設(shè)計(jì)裝配順序和路徑，再通過仿真驗(yàn)證，反復(fù)迭代，得出合理的裝配順序和路徑，優(yōu)化裝配工藝。

5 輸出仿真結(jié)果

在仿真完裝配過程之后，通常還需要優(yōu)化仿真視頻，如調(diào)整仿真視角、改變仿真時(shí)長(zhǎng)等，從而更真實(shí)地模擬裝配過程，最后輸出仿真結(jié)果，表現(xiàn)形式如下：

5.1 仿真視頻

在錄制仿真視頻時(shí)，由于DELMIA軟件自帶的錄屏功能生成的視頻文件占用內(nèi)存很大，且錄制時(shí)間很長(zhǎng)，因此建議采用專門的錄屏軟件對(duì)裝配仿真的動(dòng)畫錄制視頻，這樣可以很大程度地減少錄制視頻用時(shí)和視頻內(nèi)存。

5.2 仿真文件

要將仿真所用的模型和生成的文件歸檔保存，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，歸檔有以下幾點(diǎn)原則：

a. 分級(jí)建立文件夾，文件夾的層次不能過多，一般在四層左右。圖11為一個(gè)圖示范例。如果層數(shù)過多，會(huì)導(dǎo)致打開模型時(shí)出現(xiàn)軟件鏈接不到最后級(jí)別文件夾中的模型，或者鏈接出現(xiàn)錯(cuò)誤，鏈接到別的層數(shù)較少的文件夾中。

b. 文件夾命名應(yīng)注意，最好附上模型的版本或建立的日期，以防與后續(xù)建立的文件夾混淆。

c. 文件夾建立的層次要清晰，第一級(jí)為一個(gè)總的文件夾，第二級(jí)為Product、Resource、Process等模型用途的分類，第三級(jí)為具體的零部件模型。

圖11 建立文件夾的示例

5.3 仿真分析報(bào)告

報(bào)告中應(yīng)該突出以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

a. 裝配仿真前產(chǎn)品的基線模型和技術(shù)狀態(tài)；

b. 裝配工藝方案；

c. 裝配仿真要點(diǎn)；

d. 仿真過程中發(fā)現(xiàn)的問題及解決情況；

e. 裝配仿真的結(jié)論。

6 結(jié)束語

裝配仿真技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用于產(chǎn)品裝配的先進(jìn)技術(shù)，對(duì)于航空航天復(fù)雜產(chǎn)品的裝配仿真工作，開展起來有一定的難度。本文根據(jù)某型號(hào)飛行器的裝配仿真工作，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，提出一個(gè)針對(duì)航空航天復(fù)雜產(chǎn)品裝配仿真的實(shí)施方案，并在裝配仿真項(xiàng)目中驗(yàn)證了此方案的其可行性，但方案中也存在不足之處，即裝配過程仿真時(shí)由于DELMIA軟件的局限性，沒有實(shí)現(xiàn)并行開展產(chǎn)品各個(gè)分系統(tǒng)的仿真，導(dǎo)致這一階段的工作時(shí)間增加。本文系統(tǒng)總結(jié)了裝配仿真工作流程，詳細(xì)記錄了裝配仿真工作中出現(xiàn)的問題以及需要注意的事項(xiàng)，為今后其他裝配仿真工作的開展提供一定的參考。

1 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

2 楊浩. 基于BIM鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)研究與開發(fā)[D].武漢：武漢大學(xué)，2018

3 飛機(jī)制造工藝導(dǎo)論[EB/OL]. [2018-10-24]. https://wenku.baidu.com/view/ 004737d2b52acfc788ebc956.html

4 飛機(jī)裝配工藝學(xué)[EB/OL]. [2018-9-13]. https://wenku.baidu.com/view/ 1ebda3ec19e8b8f67c1cb947.html

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6 沈波. DELMIA在ARJ21飛機(jī)中央翼裝配仿真中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2011，40(11)：42～45

7 林美安. 飛機(jī)機(jī)身裝配工藝及仿真技術(shù)研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2010

Implementation Scheme Research of Assembly Simulation of Aeronautic and Astronautic Complicated Products

Li Zhaoyu1Li Xiaoqiang1Jin Chaohai1Mu Xingke2Wang Liang3Shen Zhong2

(1. School of Mechanical Engineering & Automation, Beijing University of Aeronautic and Astronautic, Beijing 100191；2.China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076；3.Beijing Xinghang Electromechanical Equipment Co., Ltd., Beijing 100074)

In this paper, specific scheme is introduced based on the assembly simulation work of some astronautic product. The process consists of four steps (make sure assembly information, prepare simulation model, assembly process simulation, simulation results output), and all steps are presented in detail. By summarizing the successful work experience, a guide is provided for other assembly simulation task of aeronautic and astronautic complicated products.

assembly；simulation；scheme；aeronautic and astronautic；complicated products

2018-11-30

李兆宇（1993），碩士，飛行器制造專業(yè)；研究方向：數(shù)字化裝配技術(shù)。

國(guó)防基礎(chǔ)科研重點(diǎn)項(xiàng)目（JCKY2016204B203）。