淺談航空維修仿真應(yīng)用實驗室的建設(shè)與創(chuàng)新

周 騁 張 峰 曹衛(wèi)華

0 引言

仿真是一種計算機模擬技術(shù)，已成為解決復(fù)雜工程計算問題的有效途徑，在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、國防軍工、科學(xué)研究等各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。目前，仿真技術(shù)在航空維修企業(yè)中應(yīng)用化程度較低，多數(shù)停留在初級階段。隨著戰(zhàn)訓(xùn)強度的持續(xù)提升，裝備維修深度和難度的增加，以及新產(chǎn)品試修攻關(guān)，急需應(yīng)用仿真技術(shù)指導(dǎo)和驗證航空產(chǎn)品的維修。進行容差容限研究，分析和驗證結(jié)構(gòu)強度的可靠性，預(yù)測故障發(fā)展趨勢，并驗證采取有效預(yù)防措施和指導(dǎo)系統(tǒng)故障的快速定位，確保航空產(chǎn)品全壽命保障故障失效可控。本文總結(jié)仿真技術(shù)在航空裝備維修中應(yīng)用類型，結(jié)合企業(yè)仿真體系成熟度模型闡述目前仿真應(yīng)用現(xiàn)狀，并對航空維修仿真應(yīng)用實驗室的建設(shè)內(nèi)容、原則、運行機制進行簡述，為仿真應(yīng)用實驗室的建立提供參考。

1 航空維修企業(yè)仿真應(yīng)用需求現(xiàn)狀分析

1.1 航空維修仿真應(yīng)用體系建設(shè)現(xiàn)狀

仿真體系是企業(yè)單位建立仿真能力的一套方法論體系，是仿真應(yīng)用中對組織、人員、流程、規(guī)范、技術(shù)、設(shè)備等要素進行整合的體系建設(shè)，反映的是企業(yè)仿真應(yīng)用成熟關(guān)系，分為五個級別建設(shè)，分別是采納級、重復(fù)級、預(yù)測級、驅(qū)動級和引領(lǐng)級[2]。

1.1.1 采納級

該等級為仿真體系建設(shè)第一級，主要特征是工程應(yīng)用中開始意識到仿真的價值，部分人員根據(jù)個人能力在技術(shù)工作中采用仿真技術(shù)和手段進行一定的產(chǎn)品分析工作，仿真結(jié)果受到人員的經(jīng)驗、水平的制約，可信度待確認。航空維修企業(yè)多數(shù)處于該等級，甚至有的還未達到，沒有建立相應(yīng)的專業(yè)仿真組織。

1.1.2 重量級

這一級是典型的中國企業(yè)所處的級別，該等級可以滿足大部分企業(yè)的仿真剛需。該等級典型特征是企業(yè)仿真具有一定的基礎(chǔ)，對仿真的原理和方法已經(jīng)掌握，開始組建專業(yè)的仿真團隊，對仿真工具的使用不再是問題，甚至可以完成復(fù)雜的仿真分析，開始思考仿真效能，對仿真的規(guī)范和標準已經(jīng)有所認識。目前航空維修企業(yè)很少完成該等級標準。

1.1.3 預(yù)測級

屬于深層次仿真應(yīng)用等級，利用仿真計算預(yù)測產(chǎn)品的功能和性能，替代部分設(shè)計開發(fā)功能，特別是維修領(lǐng)域可以驗證設(shè)計，在產(chǎn)品使用壽命和功能的趨勢性分析方面可替代大部分實物試驗，具有指導(dǎo)性依據(jù)。這個階段，專業(yè)的仿真組織（實驗室）開始出現(xiàn)，部門級仿真平臺開始建立，同時企業(yè)已經(jīng)建立了仿真規(guī)范與標準，并運行良好，目前基本沒有航空維修企業(yè)完成該等級建設(shè)。

1.1.4 驅(qū)動級

該等級企業(yè)仿真組織體系已經(jīng)完整建成，并且成熟使用仿真技術(shù)指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)、修理改進過程；仿真技術(shù)管理也成為企業(yè)技術(shù)管理的一部分，具有規(guī)范化和標準化的工作流程；仿真軟硬件的規(guī)劃較為完備、科學(xué)、高效；綜合仿真應(yīng)用技術(shù)平臺已經(jīng)成為企業(yè)技術(shù)工作的主要應(yīng)用平臺。

1.1.5 引領(lǐng)級

該等級典型特征是仿真體系成為企業(yè)特色的技術(shù)能力建設(shè)一部分，為企業(yè)綜合競爭力的要點。仿真技術(shù)成為企業(yè)級技術(shù)研究開發(fā)平臺的主體，注重仿真人才的培養(yǎng)和組織的建設(shè)，仿真管理的規(guī)范與標準已經(jīng)成為一種制度文化；企業(yè)的仿真裝備的建設(shè)已經(jīng)走向云端，形成多學(xué)科綜合與協(xié)同仿真，為企業(yè)技術(shù)研發(fā)平臺的主體。

1.2 航空維修急需仿真應(yīng)用助力

目前在維修應(yīng)用中只有少部分人員意識到仿真分析的價值，開始學(xué)習(xí)使用仿真技術(shù)和手段開展一定的分析工作，但沒有系統(tǒng)的掌握有關(guān)知識和方法論，仿真真實性全靠個人技能和推算，專業(yè)人才、軟硬件系統(tǒng)均處于稀缺狀態(tài)。特別是航空維修企業(yè)中，積累的大量故障數(shù)據(jù)庫資源沒有得到有效利用和分析，航空維修仿真應(yīng)用還處于初級水平，多數(shù)僅具備簡單零部件的強度力學(xué)分析能力，無法滿足航空產(chǎn)品和系統(tǒng)復(fù)雜故障排除、修理工藝改進、科研攻關(guān)等需求。

新型裝備在試修科研攻關(guān)過程中，亦需要應(yīng)用仿真技術(shù)驗證試修技術(shù)標準、試修工藝質(zhì)量，模擬解決修理科研難題和解決試修故障。通過建立航空維修仿真應(yīng)用研究能力，整合設(shè)計制造和維修故障數(shù)據(jù)庫相關(guān)資源，將仿真分析與修理研發(fā)、故障研究等工作緊密結(jié)合，通過有限元分析軟件系統(tǒng)，對單元類型、有限元分析理論及各類有限元方程解法的整合與優(yōu)化，使修理技術(shù)問題的解決與有限元分析緊密融合，培養(yǎng)專業(yè)的仿真分析團隊，推動仿真技術(shù)在航空維修領(lǐng)域的應(yīng)用，從仿真數(shù)據(jù)模型中發(fā)現(xiàn)問題，快速解決現(xiàn)場故障、修理科研攻關(guān)難題，優(yōu)化修理工藝，提升航修工廠核心修理能力建設(shè)。

1.3 產(chǎn)品技術(shù)問題處理需要仿真技術(shù)

目前，客戶對于復(fù)雜故障的分析與改進要求不斷提高，不僅要有圖有數(shù)據(jù)的分析故障的機理，還需要對改進措施進行驗證分析。一般情況下，實物驗證不僅浪費大量的人力、物力和時間，試驗風(fēng)險亦很難預(yù)測，改進工藝措施難以控制在合理的標準。大量應(yīng)用仿真分析，確定故障的機理，模擬產(chǎn)品故障原理，并為研究制定改進措施提供參考依據(jù)十分迫切。

2 航空裝備維修中仿真技術(shù)的應(yīng)用類型

航空裝備維修是一個多工程專業(yè)理論和技術(shù)的綜合應(yīng)用，總結(jié)仿真技術(shù)在航空維修領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下四個方面[3]。

2.1 虛擬裝配仿真

采用3D 掃描建模或者CAE 軟件建模，進行虛擬裝配檢驗產(chǎn)品組裝過程干涉情況，研究設(shè)計科學(xué)合理的修理工藝和修理路線；另一方面結(jié)合AR 技術(shù)，可以對修理人員進行產(chǎn)品修理培訓(xùn)，進行虛擬裝配教學(xué)或?qū)μ摂M產(chǎn)品實施虛擬維修，實現(xiàn)修理能力的提升，提高修理質(zhì)量和效率。

2.2 系統(tǒng)建模仿真

應(yīng)用系統(tǒng)仿真軟件，如開展飛機液壓/機械系統(tǒng)建模、仿真及控制分析，為液壓系統(tǒng)動力控制、機械性能和控制系統(tǒng)問題提供仿真環(huán)境和解決方案。通過系統(tǒng)建模仿真實驗，研究飛機液壓、機械系統(tǒng)的各種工作狀況，確定最佳參數(shù)匹配，并可在研究飛機液壓系統(tǒng)故障時，應(yīng)用系統(tǒng)建模仿真實現(xiàn)故障的快速定位。

系統(tǒng)建模仿真可用于教學(xué)訓(xùn)練，提高修理人員的系統(tǒng)知識，尤其是處理各種故障或特情的能力；還可以通過仿真飛機部分或子系統(tǒng)的工作原理、運動過程，為研究系統(tǒng)的靜動態(tài)特性、故障模式、故障分布規(guī)律、維修方法提供理論依據(jù)[4]。

2.3 故障機理分析

飛機在全壽命服役過程中，特別是機械附件或結(jié)構(gòu)件都會隨著服役使用時間，產(chǎn)生不同程度的損傷/故障，通過仿真分析，對損傷部位的受力、疲勞或壽命研究，確定其損傷機理，對提高修理質(zhì)量，排除故障和改進修理工藝等都具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。如：斷裂故障，通過有限元仿真，可以確定是疲勞斷裂的機理，進而進行改進研究，解決故障重復(fù)發(fā)生的問題。

2.4 容差容限分析

通過產(chǎn)品維修過程中建立的故障數(shù)據(jù)庫，結(jié)合仿真分析建立產(chǎn)品典型性能退化趨勢和退化模型，研究分析產(chǎn)品技術(shù)性能退化對產(chǎn)品功能和壽命的影響，評價長期使用過程中的健康度，給產(chǎn)品容差容限修理方式提供理論支持。如：通過幾次大修相同部位的數(shù)據(jù)變化，模擬下次大修時數(shù)據(jù)變化趨勢，根據(jù)變化趨勢仿真分析性能情況，研究確定容差容限標準。

3 航空維修仿真應(yīng)用實驗室的建設(shè)與創(chuàng)新

3.1 建設(shè)內(nèi)容

堅持“開放、集成、革新”理念，以支撐航空維修發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃和解決裝備修理瓶頸難題為目標，將航空維修仿真應(yīng)用研究能力建設(shè)作為維修單位核心技術(shù)能力加快推進，可以部分科研項目為試點，聚焦有限元仿真技術(shù)、虛擬裝配仿真技術(shù)、動力系統(tǒng)建模仿真技術(shù)、容差容限可靠性仿真等方面建設(shè)具有航空修理特色的仿真分析實驗室，打造專業(yè)仿真分析應(yīng)用團隊，為航空維修提供一站式技術(shù)支撐服務(wù)。

3.1.1 構(gòu)建航空修理特色的仿真分析實驗室

緊跟航空維修發(fā)展需求，建立具有航空維修特點的仿真應(yīng)用實驗室，在航空維修領(lǐng)域推進仿真技術(shù)的應(yīng)用，為維修過程提供指導(dǎo)。實驗室建設(shè)初步規(guī)劃包含4 個模塊：力學(xué)仿真分析模塊，系統(tǒng)建模仿真分析模塊，虛擬裝配仿真分析模塊，容差容限可靠性仿真分析模塊。

（1）力學(xué)仿真分析模塊。主要為有限元分析，包括結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、模態(tài)振動分析、疲勞耐久分析、流固耦合分析、拓撲優(yōu)化分析五個方向，可以滿足航空維修結(jié)構(gòu)方向研究剛性需求，也是目前最緊迫要實現(xiàn)的模塊。

（2）系統(tǒng)建模仿真分析模塊。主要對航空機械液壓（氣壓）系統(tǒng)仿真進行故障定位和原理教學(xué)。

（3）虛擬裝配仿真分析模塊。運用三維掃描設(shè)備或者CAE軟件進行建模預(yù)裝配，驗證零件的干涉情況，可以結(jié)合AR 技術(shù)進行虛擬裝配教學(xué)。

（4）容差容限可靠性仿真分析模塊。圍繞航空產(chǎn)品修理特色，結(jié)合故障（超差）信息驗證產(chǎn)品的使用可靠性，并對發(fā)展趨勢進行預(yù)測，其分析方向主要為配合間隙與密封性能關(guān)系仿真分析（液壓密封研究）和磨損趨勢與壽命預(yù)測仿真分析（數(shù)據(jù)綜合分析）。

3.1.2 打造穩(wěn)定的仿真分析應(yīng)用專家隊伍

隨著航空維修技術(shù)研究的不斷深入，仿真技術(shù)也需要多學(xué)科的綜合，單一學(xué)科在解決復(fù)雜故障問題或技術(shù)研發(fā)攻關(guān)上不能滿足要求。目前市場上仿真應(yīng)用軟件眾多，且多學(xué)科仿真技術(shù)日趨成熟，仿真工作也趨向于團隊工作，提高仿真效率和真實性，保證仿真質(zhì)量。組建仿真團隊應(yīng)思考擁有以下幾點能力人員：

（1）模型簡化能力。需要將復(fù)雜的實物模型簡化為仿真模型，同時也應(yīng)考慮仿真條件的簡化技能保證仿真質(zhì)量也能減少計算量，簡化過程要綜合思考簡化的正確性。

（2）軟件建模能力。將簡化后的模型構(gòu)建處理，主要包括二維、三維建模能力。

（3）網(wǎng)格劃分及優(yōu)化能力。通過模型優(yōu)化和網(wǎng)格處理，保證仿真結(jié)果收斂。

（4）試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)處理能力。合理的試驗設(shè)計能夠減少仿真成本和計算周期，有效的數(shù)據(jù)處理能減小誤差。

（5）計算機維護。同時需要計算機的維護能力，保證計算機系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行。

3.1.3 建立航空維修工程仿真應(yīng)用體系

建立航空維修工程仿真應(yīng)用體系解決在工程技術(shù)活動中仿真軟件和方法的選用的隨意、仿真流程缺乏規(guī)范與標準、仿真協(xié)同性弱和使用效果差的局面。建立航空維修工程仿真應(yīng)用體系主要完成仿真組織的設(shè)計、仿真裝備的規(guī)劃和建設(shè)、仿真規(guī)范和標準的建立以及仿真流程的優(yōu)化和改進[2]。

3.2 建設(shè)原則

3.2.1 基于多學(xué)科綜合分析過程

航空維修領(lǐng)域是一個多學(xué)科，多基礎(chǔ)專業(yè)的綜合應(yīng)用，在仿真過程分析及結(jié)果分析方面，需要多學(xué)科綜合分析，如材料學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、機械加工學(xué)、液壓與密封、控制理論等。

在仿真技術(shù)方面也需要先多學(xué)科綜合仿真，需要將零件參數(shù)建模（或3D 掃描建模），CAD 模型檢查、CAE 仿真分析按照某種流程高效集中在一起。同時兼顧仿真數(shù)據(jù)和流程的管理，這也是企業(yè)目前建立多學(xué)科綜合仿真平臺的方向。

3.2.2 面向協(xié)同仿真的過程

企業(yè)建立協(xié)同的目標是通過建設(shè)仿真應(yīng)用實驗室，搭建一個集成多學(xué)科綜合的CAE 仿真流程。以協(xié)同仿真管理為核心，組建一個仿真團隊，將所有與仿真工作相關(guān)的人、技術(shù)、數(shù)據(jù)在這個統(tǒng)一環(huán)境中協(xié)同工作，各類數(shù)據(jù)之間的交流，傳遞和共享皆可在這個環(huán)境中完成。將企業(yè)原本離散的CAE 技術(shù)、流程、數(shù)據(jù)和知識綜合起來，形成協(xié)同優(yōu)勢，使仿真作用最大化，充分發(fā)揮人員、工具、流程與數(shù)據(jù)的潛能，完成以前無法完成的任務(wù)，最大化地支持復(fù)雜產(chǎn)品的創(chuàng)新與優(yōu)化，提升企業(yè)的競爭力[5]。

3.2.3 面向?qū)嶒瀸嵱?xùn)的教學(xué)

產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)仿真分析不僅從機理上驗證了設(shè)計的合理性，也給教學(xué)者綜合直觀的解釋工作原理、結(jié)構(gòu)組成、失效模式，并通過仿真驗證給維修提供指導(dǎo)。系統(tǒng)仿真方面可以方便了解該系統(tǒng)或子系統(tǒng)產(chǎn)品的組成，運行控制原理，各產(chǎn)品故障對系統(tǒng)的影響等，有利于系統(tǒng)故障的排除定位。虛擬裝配方面利用AR技術(shù)可以對復(fù)雜產(chǎn)品進行虛擬裝配演練，減少實物教學(xué)風(fēng)險和教學(xué)事件。

3.3 運行機制

3.3.1 管理模式

實驗室屬于開放式、標準化、項目制管理模式。開放式主要從安全管理、設(shè)施管理、衛(wèi)生管理和軟硬件維護方面構(gòu)建，特別是在軟硬件方面要加強對仿真數(shù)據(jù)的管理；標準化要求管理流程標準化、工作業(yè)務(wù)標準化；項目制主要針對實驗室的工作業(yè)務(wù)，以項目制形式開展，針對仿真需求，通過項目管理制定過程管控。

3.3.2 業(yè)務(wù)流程

項目啟動：根據(jù)項目制管理要求，業(yè)務(wù)以客戶需求為主啟動，由實驗室主任根據(jù)客戶需求初步進行評估，同時根據(jù)實際情況確定是否可以完成。確定可以接受后，與客戶簽訂合同。

項目計劃：實驗室主任與副主任需求根據(jù)實驗室能力建設(shè)情況，協(xié)調(diào)內(nèi)部人員的協(xié)助，制定工作計劃。

項目實施及過程控制：該階段主要由實驗室項目成員根據(jù)制定的計劃節(jié)點進行各種任務(wù)分工，實驗室主任根據(jù)實際情況做好協(xié)調(diào)。

項目收尾：做好輸出性材料的制定，完成仿真分析的校對，出具分析報告，完成合同結(jié)題。

后續(xù)維護：對客戶其他要求進行完善。

3.3.3 輸出結(jié)果形式

針對力學(xué)，系統(tǒng)建模，容差容限可靠性驗證等仿真，輸出仿真分析報告；虛擬裝配仿真在輸出報告的同時，可以根據(jù)客戶的要求輸出短視頻或其他事物。

3.3.4 仿真結(jié)果的評審與歸檔

仿真只是作為產(chǎn)品檢驗的手段對產(chǎn)品性能進行評估或指導(dǎo)物理實驗，不能完全取代物理實驗。仿真分析的結(jié)果受到不同工程師經(jīng)驗、水平和所采用的分析流程的制約，影響了仿真分析結(jié)果的可信度，實驗室建設(shè)階段需要加快專業(yè)仿真人員的培訓(xùn)，同時仿真分析結(jié)果需要專家人員審核，保證實驗結(jié)果的相對可信。仿真結(jié)果以電子文檔實行存檔。

3.3.5 經(jīng)費保障

需要企業(yè)提供經(jīng)費支持，包括軟硬件的建設(shè)，人員的培訓(xùn)等，同時可以根據(jù)實驗室的發(fā)展運營情況確定保障經(jīng)費。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了仿真技術(shù)在航空維修領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀以及應(yīng)用類型；闡述構(gòu)建航空修理實驗室的三個內(nèi)容，即構(gòu)建航修特色的仿真分析實驗室，打造穩(wěn)定的仿真分析應(yīng)用專家隊伍，建立航空維修工程仿真應(yīng)用體系；以及闡述構(gòu)建仿真應(yīng)用實驗室的建設(shè)原則包括面向協(xié)同仿真的過程，面向協(xié)同仿真的過程，面向?qū)嶒瀸嵱?xùn)的教學(xué)。建立仿真應(yīng)用實驗室不能急于求成，企業(yè)應(yīng)清醒地認識自身現(xiàn)狀，選擇恰當?shù)哪繕耍蛛A段逐步實施。