數字化技術在起落架維修中的應用

顧興龍 陳昊航 陳文濤 毛嘉元 甘輝勇

（中國民用航空飛行學院，四川 德陽 618307）

0 引言

隨著航空工業的快速發展，飛機的運營維護顯得更為重要。如何高效經濟地完成維修任務，是各大航空公司一直追求的目標。起落架作為飛機的重要部件，對其維護有著全面系統的要求，必須要按照維護手冊對其進行嚴格地維護。由于前期的培訓工作耗時長，導致機務人員的工作強度很大。

數字孿生（digital twin，DT）是以數字化方式來創建物理實體的虛擬模型［1］，具有實時同步、忠實映射、高保真度等特性，能促進物理世界與信息世界的交互與融合，從而為物理實體增加或拓展新的能力［2-4］。

本研究擬探究數字化技術在起落架維修中的應用。針對飛機起落架維修過程中受限于時間和人力、缺乏可持續性的問題，本研究利用UG NX軟件對起落架進行建模，并在Inte3D軟件中對起落架的虛擬裝配工藝過程進行仿真。

1 數字化裝配工藝體系

筆者基于對數字孿生體系的認知，結合飛機的研制裝配過程，對其在虛擬空間、物理空間及二者間的交互進行分析，建立面向飛機產品的多尺度仿真模型。針對物理空間的產品裝配過程，要獲得數字空間實時傳遞的裝配工藝指令，如相關工藝準備數據的確認，要實時反饋實際裝配過程中現場出現的問題。此時，信息交互接口提供了兩個空間實時狀態的反饋通道，并形成基于數字孿生的裝配工藝應用體系架構。

本研究主要運用生產數字孿生和性能數字孿生對飛機起落架的拆裝維護過程進行路徑規劃，并通過仿真進行優化和分析，從而得到更好的維修方法。通過對起落架上的部件參數進行仿真，維修人員很容易發現在使用和維修過程中需要改進的地方。

2 飛機維修過程中的問題

飛機機輪組件是飛機起飛和著陸的關鍵部件，其要承受著巨大的交變載荷和瞬時的剎車高溫，且其所處的工作環境十分惡劣。作為飛機上的重要部件，機輪的維護與修理有著很高的要求。

長期以來，傳統的飛機維修培訓是以書本或實物進行講授、演練為主，訓練內容和手段單一，訓練效果不明顯。在實踐過程中，傳統的維修培訓存在極大的局限性，主要有以下三點。①無重復性。②培訓環境受限，維修人員要在同一時間、同一地點接受同樣的培訓內容。③學員在培訓過程中受設備、工具、環境等因素的制約［5］。

2.1 機務維修人員的水平不高

民航飛機是由成千上萬個零件組成的高精密飛行器，維修飛機是要有非常高的維修技能。在現實中，民航飛機在機場停留的時間非常短，一般情況下沒有充足的時間對其進行整體排查［6］。此時就體現出高水平維修人員的重要性，如果維修人員的維修水平不高，就只能通過常規手段對民航飛機出現的故障進行判斷，很難做到精準定位，導致一些微小的損傷被忽略。這種故障檢測方式無法快速、全面地找出民航飛機存在的安全隱患，從而導致故障發生的風險增加［7］。

2.2 維修培訓時間緊張

取得147執照資質后，才能參與民航飛機的維護工作。學員除了要接受系統的理論課外，還要完成較長時間的技能實操。對要等待培訓的大量學員來說，無疑會增加其學習成本。某些項目因學習安排錯開較久而導致學員將其遺忘。

針對現有實訓平臺中存在的弊端，在實訓教學過程中引入數字孿生技術，通過數字孿生技術對現實世界中遇到的情景進行模擬仿真，在很大程度上能解決各種問題［8］。

3 起落架裝配工藝過程仿真

機輪是飛機著陸系統中的重要組成部分，承受著上百噸的起飛高速滑跑和降落時的沖擊載荷。機輪組件與飛機的剎車裝置是直接接觸工作的，其工作環境很差。因此，從飛機上拆下后，發現機輪組件很臟，積碳、液壓油、滑油附著在上面。對新員工來說，維修難度往往較大。對維修廠的師傅來說，每天要面對的機輪種類不同，采用的維修方案也不同。可通過將不同的維修方案預先做好虛擬仿真，在進行維修前，維修師傅可指導學員進行學習，從而提高工作效率。

3.1 起落架模型

根據某型飛機起落架的模型和結構參數，在UG NX軟件中進行零部件的創建及組裝，裝配模型如圖1所示。

圖1 某型起落架裝配模型

3.2 起落架拆解步驟

飛機維修應嚴格按照手冊中的要求，操作專業設備進行檢查。某型號起落架維修手冊中的拆解步驟如圖2所示。

3.3 創建虛擬裝配

先將起落架裝配模型導入到Inte3D軟件中，將模型統一轉化為輕量化的.ivp格式，裝配結構如圖3所示。在圖3所示的“裝配結構”樹中，能看到完整的起落架所有零件的裝配關系。對由幾個小零件組成的部分，可通過“分解零部件”將其分解成最基本的組成部分。根據圖2所示的起落架拆裝步驟，將起落架分解為輪軸螺帽、輪轂、輪子、輪軸、輪軸螺帽、減震支柱等裝配結構。

圖2 起落架拆解步驟

圖3 裝配結構

在“裝配過程”中新建步驟1，并將其命名為“機輪裝配過程”。在裝配過程中，將要拆裝的部分添加到步驟。對步驟1中的各部分零件進行調整光源和上色，使各部分零件的對比增強，便于觀察裝配過程。根據工卡步驟，按照順序對部件進行拆解，如圖4所示。通過“裝配過程”菜單來創建路徑規劃，再用平移、旋轉等指令對部件的運動進行約束。

圖4 裝配過程

一個路徑規劃即表示一個拆解過程，如圖5所示。根據具體情況，可添加一定的“工具活動”，用于輔助拆解。對一些比較小的零件，可在拆解前添加“閃爍活動”，用來提醒使用者接下來將對閃爍部分的零件進行拆解。同時，對每一個路徑規劃都可添加“視角活動”，以便在拆解不同零件時可從最佳角度去觀察。

圖5 機輪拆解

新建步驟2，并將其命令為“爆炸圖”。將步驟1“機輪拆解”的裝配對象復制粘貼到步驟2中。在步驟2的目錄下，框選全部零件，選擇“線性爆炸”命令，并拖動零件，使其中間部分向兩側散開，要注意各零件不能遮擋。在“技術圖解”工具欄中，選取“標簽”對機輪的每部分進行詳細的標注，將標簽屬性中的自動對齊方式改為“自由3D”，此時標簽就會隨部件的移動而相應移動。在“技術圖解”命令中，選擇“定義BOM表頭”，修改表格的表頭和長度等格式。選取“BOM表格”來填寫表內容，對部件的物料名稱和材料進行標注，BOM表格見表1。

在完成整個機輪的“機輪拆解”和“爆炸圖”后，右擊裝配過程，彈出“裝配仿真”，即可看到整個機輪裝配的動畫仿真過程。

3.4 輸出仿真文件

在“輸出”工具欄下選擇“視頻”，即可得到“裝配”或“拆卸”過程，輸出的拆裝視頻如圖6所示。在動畫輸出中可選擇整體輸出或單步驟輸出，并選擇一個適合觀看的幀數。除了視頻外，還可選擇輸出3DPDF、Inte CAPP卡片等。

圖6 輸出視頻

4 培訓應用

針對某型飛機起落架，根據維修手冊中的拆解步驟，建立該型起落架裝配工藝過程的仿真模型。在Inte3D中將該模型分解為7個裝配結構，對每個結構添加詳細的標簽，并建立對應的路徑規劃，對重要的拆解步驟添加輔助拆解工具或重點強調，輸出對應的BOM表格、裝配仿真動畫。該裝配工藝的過程仿真已應用于部分學員班級中，進行試點教學。教學內容包括起落架模型創建、飛機維修手冊解讀、起落架虛擬結構拆解、起落架虛擬裝配過程創建、BOM表格創建、CAPP工藝卡片創建和虛擬裝配工藝過程動畫文件創建等。

起落架裝配工藝過程仿真試點教學取得了良好的教學效果。試點班級的學員通過培訓對起落架的基本結構有了更直觀地認識，其能根據機型飛機維修手冊對維修工藝過程進行總結，完成起落架虛擬裝配工藝，并輸出相應的BOM表格、工藝卡片和仿真動畫。通過工藝卡片和仿真動畫來進一步加深學員對起落架維修過程的理解。

起落架虛擬裝配工藝培訓項目降低了對維修人員培訓教員的維修水平要求，同時將教員與學員的比例從1∶8提高到了1∶30。通過虛擬裝配工藝卡片和仿真動畫的重復性演示，能有效節約維修人員的培訓時間。

5 結語

航空公司擁有的機型種類多，涉及對不同種類的起落架維修。運用數字孿生技術能提前將要維修的起落架模型導入系統，并對裝配工藝過程進行仿真。根據維修手冊來嚴格制定起落架的裝配和拆卸工藝，這些步驟可在軟件里實現可視化模擬，并通過多向演示來增加維修現場的直觀性，便于對同一項目進行多次反復訓練，大大縮短維修培訓時間，提高培訓效率，節約成本。