裝配仿真技術(shù)在某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

王秋陽 李 敏

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海201108）

0 引言

國內(nèi)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)在裝配分析上，主要采用定性分析方法。通過分析裝配順序和裝配路徑，人為憑經(jīng)驗(yàn)判斷，一般無法準(zhǔn)確預(yù)估實(shí)際裝配過程中可能出現(xiàn)的干涉，無法保證裝配性，從而導(dǎo)致需在裝配階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改，造成時(shí)間及成本的浪費(fèi)。比如，某航空發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行IGB機(jī)匣與前承力機(jī)匣裝配時(shí)，發(fā)現(xiàn)在其裝配路徑上前承力機(jī)匣的最小內(nèi)徑小于IGB機(jī)匣的最大外廓尺寸，導(dǎo)致IGB機(jī)匣無法裝配。產(chǎn)生該問題的原因主要是在該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，僅進(jìn)行了最終裝配狀態(tài)的干涉情況檢查，并未進(jìn)行裝配路徑上的干涉檢查。為解決該問題，對(duì)零件狀態(tài)進(jìn)行了修改，額外浪費(fèi)了大量人力、物力。所以，提前暴露并解決裝配干涉問題顯得尤為重要。

現(xiàn)階段，計(jì)算機(jī)輔助裝配技術(shù)得到了一系列的開發(fā)和應(yīng)用，通過裝配仿真技術(shù)，可以建立并固化裝配分析流程；在概念設(shè)計(jì)階段，建立裝配仿真模型，可對(duì)整機(jī)裝配進(jìn)行干涉檢查，規(guī)劃整機(jī)裝配路徑，最大程度地發(fā)現(xiàn)并解決裝配干涉問題，保證裝配可行性。目前，CATIA V5、UG等三維軟件，不僅可進(jìn)行三維實(shí)體建模，還可在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬裝配和干涉檢查等。

本文主要介紹使用西門子公司Teamcenter Vis Mockup軟件下的Path planning模塊在三維模型的基礎(chǔ)上采用裝配仿真技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、靜態(tài)干涉檢查，以規(guī)劃整機(jī)裝配路徑。

1 裝配仿真技術(shù)概述

1.1 裝配仿真技術(shù)定義

裝配過程仿真是指基于三維仿真技術(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程進(jìn)行虛擬仿真，動(dòng)靜態(tài)干涉檢查，規(guī)劃整機(jī)裝配路徑。裝配過程仿真作為數(shù)字化裝配技術(shù)的重要一環(huán)，包括裝配序列定義、裝配路徑規(guī)劃等方面。通過裝配過程仿真技術(shù)，可以保證整機(jī)裝配不出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，結(jié)合加工、裝配、測(cè)量工藝，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的定位基準(zhǔn)、裝配順序、測(cè)量方案等進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 裝配仿真技術(shù)國內(nèi)外運(yùn)用情況

美國波音公司在研制波音777時(shí)，運(yùn)用并行工程的思想，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化裝配過程仿真，同時(shí)結(jié)合裝配自動(dòng)化技術(shù)、先進(jìn)定位技術(shù)，使開發(fā)周期縮短了40%～60%，制造成本也降低了30%～40%，飛機(jī)的設(shè)計(jì)過程中沒有使用一張圖紙，全部在計(jì)算機(jī)中模擬完成。波音777的地板梁裝配時(shí)間由19周減少到3周，減少了設(shè)計(jì)變更，縮短了工藝規(guī)劃時(shí)間，裝配周期縮短50%，工藝設(shè)計(jì)周期縮短30%～50%。洛克希德馬丁公司在研制JSF戰(zhàn)斗機(jī)X-35過程中明確提出采用數(shù)字化裝配技術(shù)，要使JSF飛機(jī)裝配制造過程的周期縮短67%，工裝減少95%，制造成本降低50%；空客公司在飛機(jī)研制過程中通過實(shí)施數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，把產(chǎn)品的試制周期從4年縮短為2.5年。

在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配動(dòng)態(tài)、靜態(tài)干涉檢查和路徑仿真方面，雷相波[1]進(jìn)行了“虛擬裝配的3D空間動(dòng)作路徑方法研究”；田富君等[2]提出了一種基于視點(diǎn)跟隨的裝配路徑規(guī)劃方法，并采用一種基于投影法的多層次動(dòng)態(tài)路徑干涉檢查算法來對(duì)裝配路徑的有效性進(jìn)行驗(yàn)證；邵毅等[3]提出了一種基于VMap（可視圖）法的裝配路徑求解方法，通過對(duì)配合特征和裝配約束的分析及靜、動(dòng)態(tài)干涉檢查，判斷并生成合理的裝配路徑；J.Sun等[4]基于三維可視平臺(tái)，在三維模型基礎(chǔ)上，模擬分析實(shí)施裝配的過程，實(shí)現(xiàn)了裝配路徑的實(shí)施和裝配干涉檢查；徐麗英[5]提出了“基于CATIA V5平臺(tái)模型裝配過程中的干涉分析”，對(duì)裝配模型進(jìn)行碰撞分析、接觸分析和間隙分析，并判斷各元件之間的干涉程度；楊家軍等[6]提出了“基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)構(gòu)干涉分析”；穆塔里夫·阿赫邁德等[7]進(jìn)行了“加工中心虛擬裝配建模及裝配干涉研究”；鄭軼等[8]進(jìn)行了“交互式虛擬裝配路徑規(guī)劃及優(yōu)選方法研究”；劉檢華等[9-10]進(jìn)行了“面向虛擬裝配的復(fù)雜產(chǎn)品裝配路徑規(guī)劃技術(shù)研究”和“面向虛擬裝配的零部件精確定位技術(shù)研究”。

2 三維裝配干涉分析仿真

裝配過程仿真包括裝配序列規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃以及裝配過程中的干涉檢查，國內(nèi)外已有大量的專利、論文進(jìn)行算法研究。本文主要介紹基于Teamcenter Vis Mockup軟件中的Path planning路徑規(guī)劃功能進(jìn)行裝配干涉檢查。

2.1 干涉檢查分析軟件

常見的三維建模軟件例如UG、CATIA等均有裝配路徑檢查功能。但經(jīng)試用，UG僅能實(shí)現(xiàn)裝配空間較充足、算法較簡(jiǎn)單的裝配定性檢查，CATIA則存在部分UG文件格式無法轉(zhuǎn)換成CATIA的風(fēng)險(xiǎn)，且無動(dòng)態(tài)間隙檢查功能，裝配過程仿真的商業(yè)應(yīng)用成熟度不高。虛擬裝配軟件Teamcenter Vis Mockup是西門子公司所開發(fā)的一款可進(jìn)行虛擬裝配的軟件，利用該軟件下的Path planning功能可設(shè)置不同的零件之間相互運(yùn)動(dòng)的定義方法、運(yùn)動(dòng)速度和路線，當(dāng)零件相互之間存在干涉時(shí)能夠準(zhǔn)確識(shí)別及傳輸。利用Path planning模塊進(jìn)行路徑仿真界面如圖1所示，仿真結(jié)果顯示仿真路徑與實(shí)際裝配路徑一致，可應(yīng)用于裝配干涉檢查和裝配路徑規(guī)劃。

2.2 干涉檢查工作原則

使用Path planning模塊進(jìn)行裝配干涉分析，主要工作原則和方法如下：

圖1 Path planning模塊裝配路徑生成界面

（1）使用仿真軟件模擬各單元體裝配過程；（2）各單元體裝配路徑上及裝配完成后不存在干涉現(xiàn)象；（3）裝配路徑上預(yù)留間隙合理，避免出現(xiàn)磕碰、接觸等現(xiàn)象；

（4）對(duì)于具有繼承性的發(fā)動(dòng)機(jī)研制，在干涉檢查時(shí)，對(duì)于不同臺(tái)份之間的結(jié)構(gòu)差異需進(jìn)行重點(diǎn)分析，并對(duì)區(qū)別之處著重進(jìn)行干涉檢查。

2.3 干涉檢查實(shí)施方法

進(jìn)行干涉檢查分析，主要工作步驟如下：

（1）導(dǎo)入裝配體模型，文件格式為JT；

（2）設(shè)置目標(biāo)件和移動(dòng)件；

（3）定義初始位置和裝配到位的位置；

（4）設(shè)置移動(dòng)步長(zhǎng)和容許間隙，并進(jìn)行計(jì)算；

（5）查看仿真結(jié)果，檢測(cè)是否存在間隙過小或者干涉的現(xiàn)象。

3 干涉檢查分析應(yīng)用

對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)各單元體內(nèi)部、各單元體之間、單元體與外部管路、發(fā)動(dòng)機(jī)與試車臺(tái)架或飛機(jī)之間運(yùn)用Path planning進(jìn)行三維干涉檢查，檢查結(jié)果顯示，大多數(shù)零組件設(shè)計(jì)結(jié)果可以滿足裝配要求，但仍存在局部干涉的情況，尤其是二維設(shè)計(jì)圖無法清楚表達(dá)最終裝配形式或裝配過程中可能影響裝配的零組件。比如：某一安裝邊的連接螺栓在裝配過程中與該安裝邊附近的一處引氣安裝座發(fā)生干涉，導(dǎo)致螺栓無法安裝，修改前如圖2所示；針對(duì)該干涉問題，通過修改該引氣安裝座的軸向距離來保證連接螺栓可以正常安裝，修改后如圖3所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)連接螺栓安裝時(shí)出現(xiàn)干涉

針對(duì)引言中提到的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配時(shí)IGB機(jī)匣與前承力機(jī)匣干涉問題，經(jīng)分析，產(chǎn)生該問題的主要原因是前承力機(jī)匣內(nèi)的前軸承腔設(shè)計(jì)空間較小，所以IGB機(jī)匣的裝配空間較小，導(dǎo)致IGB機(jī)匣與前承力機(jī)匣裝配時(shí)，不能垂直進(jìn)入前軸承腔，如圖4所示，需要與水平線成一定角度，使IGB機(jī)匣單元體徑向直徑最大處可順利通過前承力機(jī)匣內(nèi)徑最小處，但在此過程中，IGB機(jī)匣組件的前端通過前承力機(jī)匣時(shí)，其后端會(huì)與前承力機(jī)匣后安裝邊處干涉，如圖5所示。

圖3 修改后的安裝邊連接螺栓安裝示意圖

圖4 IGB與前承力機(jī)匣水平裝配時(shí)的干涉示意圖

圖5 IGB與前承力機(jī)匣傾斜裝配時(shí)的干涉示意圖

4 裝配驗(yàn)證

針對(duì)上述IGB與前承力機(jī)匣干涉問題，考慮到項(xiàng)目進(jìn)展要求和實(shí)物狀態(tài)，決定對(duì)干涉區(qū)域進(jìn)行打磨。

（1）針對(duì)IGB機(jī)匣與前承力機(jī)匣的干涉區(qū)域范圍，根據(jù)實(shí)物試裝及三維模型模擬裝配兩種分析方法得出的干涉范圍相同；

（2）運(yùn)用三維模型裝配仿真對(duì)打磨掉干涉區(qū)域后的前承力機(jī)匣和IGB機(jī)匣進(jìn)行模擬裝配，結(jié)果顯示可實(shí)現(xiàn)裝配；

（3）實(shí)物裝配IGB機(jī)匣與打磨后的前承力機(jī)匣，可順利完成裝配；

（4）裝配后的發(fā)動(dòng)機(jī)在完成其原定試驗(yàn)計(jì)劃后，未出現(xiàn)任何潛在問題。

通過三維裝配仿真可有效地為設(shè)計(jì)及排故等提供有力的技術(shù)支持，節(jié)省由于設(shè)計(jì)等不合理帶來的返工、時(shí)間以及其他成本的浪費(fèi)。

5 結(jié)語

目前發(fā)動(dòng)機(jī)裝配分析主要是對(duì)比典型民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配順序和裝配路徑，定性地判斷整機(jī)裝配性，無法準(zhǔn)確判斷實(shí)際裝配情況。通過三維仿真裝配技術(shù)，在方案設(shè)計(jì)階段，建立發(fā)動(dòng)機(jī)裝配仿真模型，進(jìn)行三維靜態(tài)、動(dòng)態(tài)干涉檢查，規(guī)劃整機(jī)裝配路徑，可最大程度地暴露并提前解決裝配過程存在的干涉問題，保證實(shí)際裝配可行性，提高裝配效率，節(jié)約成本。

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