航空发动机维修性虚拟核查的工作流程及应用实践

MRLi 10月前 826


引言

航空发动机的维修性核查一般包括可达性、互换性与标准化、防差错与识别标志、维修安全、检测诊断、零部件可修复性、减少维修内容、降低维修技能要求等方面。在以往的实践中,由于缺乏相应的虚拟仿真技术为支撑,航空发动机的维修性核查工作一直根据经验或在产品样机装配后开展,一方面增加了设计经费,另一方面当遇到结构不满足维护要求时需重新设计,进而延长产品整体设计周期,极大限制了我国航空发动机的快速发展。

基于数字样机在虚拟现实环境中做维修性核查工作是一种有效且成熟的解决方案,该方案就是综合利用大装配模型的轻量化技术、虚拟仿真建模技术、实时碰撞检测技术、人机工效技术和基于虚拟仿真的维修性核查及评价技术等多项技术,通过建立一个包含发动机虚拟样机、维修人员、维修工具、维修设备、维修设施、维修过程信息的虚拟环境,并在该环境下模拟产品的维修过程,对产品的可维修性进行核查分析,发现产品维修性设计中的问题,做出评价,并提出改进意见等。


图1 在虚拟环境中做航空发动机的维修性核查

一、维修性虚拟核查技术现状

依据最新版的GJB368B-2009《装备维修性工作通用要求》,在维修性试验与评定内容中,新增了维修性核查(工作项目401),目的是检查与修正维修性分析与验证所用的模型及数据,鉴别设计缺陷,以便采取纠正措施,实现维修性的持续增长。该标准明确指出,可利用产品数字样机,开展虚拟仿真核查产品的维修性要求。

维修性虚拟核查在产品设计早期开展,通过对数字样机维修性核查,及时发现并改进产品的维修性设计问题,尽量做到将维修性问题封闭在设计阶段。
随着虚拟仿真技术的高速发展,诞生了许多虚拟仿真软件,主要包括西门子公司的JACK 软件,达索公司的DELMIA 软件等。该类软件强大的仿真功能,以及航空发动机数字样机技术的全面应用,为开展维修性虚拟核查奠定了基础。
百舸争流,千帆竞发。北京朗迪锋科技有限公司基于多年来在虚拟现实和制造业相关领域积累的大量技术经验,开发出一套基于“并行工程”设计思想,集维修性设计分析和虚拟仿真于一体,可应用于大中型装备设计制造过程的维修性设计分析与验证工具—MakeReal3D VMPro。相比于上述具备一定维修性验证功能的仿真软件,MakeReal3D VMPro更加专注于维修性从设计到分析再到验证的一整套工作流程,利用虚拟仿真作为MakeReal3D VMPro服务于维修性验证的一种有力手段,同时还开创性地将“并行工程”引入维修性工作项目中,提高维修性要求在装备设计早期的约束能力,为以航空、航天、兵器、舰船等为代表的复杂装备的研制提供系统的维修性解决方案。


图2 维修性设计分析与验证工具—MakeReal3D VMPro
二、维修性虚拟核查流程
维修性虚拟核查主要包括:确定核查要求、制订核查方案、制作虚拟样机、开展虚拟仿真、判定核查结果等方面。维修性虚拟核查的工作流程如图3所示:


图3 维修性虚拟核查的工作流程

具体工作流程及内容如下:

(1)确定核查对象(LRU),明确具体的核查任务清单;
2)根据核查任务,从产品的数据管理系统PDM中选取数字样机的三维设计模型,主要是核查对象、周围部件、相关管线、机体结构、工具设备等;
3)根据前期准备,制订核查方案,明确核查内容。包括间距分析、运动碰撞分析、人机工效分析和维修演示过程动态分析等;
4)建立虚拟工作场景,制作数字样机。主要是数据简化、加载相关数字样机、保证装配关系;
5)根据选用的具体核查方法,用虚拟仿真软件进行维修性的核查仿真;

6)最后判定仿真结果是否满足维修性要求。如果满足,给出合格结论,如果不满足,需要针对相应的核查内容,给出改进建议。

三、基于MakeReal3D VMPro做航空发动机维修性虚拟核查的工作流程
3.1确定核查要求

实际工作中,并非所有使用中需拆卸的零件、附件都要开展维修性虚拟核查。航空发动机虚拟核查的结构主要包括:周围环境复杂且无法根据数字样机直观判断或维护操作频繁的零件、附件等,如周边管路线路密集,或远离维护口盖,或口盖规格较小的零件、附件等。此类零件、附件需根据具体维修任务要求开展维修性虚拟核查工作。

因而,虚拟核查方法的首要任务是确定核查对象,明确核查任务清单。发动机上主要核查对象为外场可更换单元(简称LRU)。

本应用案例中,以拆卸某型航空发动机上油滤的滤芯(LRU)为例,进行开展维修性核查工作的说明(本模型非真实发动机结构,仅供应用示意参考)。如图4所示:


图4发动机油滤上的滤芯是需要拆卸的LRU

3.2制订核查方案
维修场地不同,存在拆装手段甚至工艺不同,单次核查无法保证所有维修场景的维护要求。结合维修级别,制定不同级别的仿真方案。维修级别包括基层级(军队)、中继级(修理厂)、基地级(制造厂)。复杂装配场景依据装配工艺方案,将装配工位拆分不同的装配场景,再进行装配仿真。在不同维修级别下开展维修性虚拟核查工作,才能更有效地指导现场使用,验证现场拆装可行性。
维修性虚拟核查可分为“静态分析”和“动态分析”两种,内容如下。
1) 静态分析

没有虚拟人的运动过程,以数字样机自身间距运算和运动碰撞运算(计算在运动过程中是否有相互碰撞)为主,可以加入固定操作姿态的虚拟人来分析操作空间是否具有良好的可达性。

发动机核查的静态分析主要包括以下内容:

(1) 间距分析。计算LRU 及其固定螺栓等部件与周围环境部件的最小间距,判断周边空间是否满足拆装要求。

(2) 运动碰撞分析。分析LRU 在拆装的过程中,是否与其它部件发生碰撞,判断周边空间是否满足拆装要求。

(3) 虚拟人姿态分析。设置虚拟人的操作姿态,生成可视区域和可达区域包络面,判断LRU 及其固定螺栓等部件是否可视或可达,是否有足够的操作空间。

2) 动态分析

通过制作虚拟人的维修演示过程来仿真零件/附件的拆装,并在仿真过程中检验拆装工艺是否合理、工具是否适用、是否有足够的操作空间,以及虚拟人运动的舒适度评价分析。


图5 在MakeReal3D VMPro中做维修性核查方案管理
3.3制作虚拟样机
发动机结构复杂、零件数量巨大,仿真软件导入的模型多、效率低,容易出现报错现象。在制作虚拟样机的过程中,需要应用模型轻量化技术从多量级、轻量化模型生成和复杂场景的分层级拆装两方面对模型进行处理,能够降低航空发动机虚拟仿真对计算机硬件的性能要求,提高维修性虚拟核查效率
1) 多量级轻量化模型生成

在进行发动机虚拟核查仿真过程中,各零部件的功能作用不同,对其模型信息的要求也不同,可以将参与仿真的模型划分为原始模型、高级轻量化模型、低级轻量化模型3个量级。

(1)原始模型是指包含零部件完整信息的模型,如进行间距分析时,可采用原始模型。

(2)高级轻量化模型为仅包含模型实体信息的轻量化模型,如仅仅作为仿真环境的零件模型,只用于检查与活动零件是否存在碰撞,采用仅包含实体信息的轻量化模型。

(3)低级轻量化模型为简化内部结构,仅保留外部轮廓实体信息的零件模型,如在仿真过程中组件内部结构对仿真过程影响不大,仅需要组件大致轮廓信息,故可以对其结构进行相应简化,去除内部零件实体信息,仅保留零部件的装配信息。

2) 复杂场景的分层级拆装
通过制作虚拟人的维修演示过程来仿真零件/附件的拆装,并在仿真过程中检验拆装工艺是否合理、工具是否适用、是否有足够的操作空间,以及虚拟人运动的舒适度评价分析。分层级拆装实质是将一个复杂场景拆装为几个简单的场景,然后再进行仿真,降低了复杂场景对计算机硬件性能的要求。产品的装配层次可分为:组件装配、部件装配、产品整体装配。对应的场景可划分为组件场景、产品整体场景。组件场景完成零件/部件到组件的拆装仿真,产品整体场景完成部件、组合件及零件到产品整体的拆装仿真。

MakeReal3D VMPro支持以上提到的多种工作场景下CAD数据的导入,快速构建逼真的维修数字样机和虚拟工作环境。

(1) 对于维修的工作场景,比如车间厂房等,支持三维模型或场景基于OpenGL的在线读取导入,不需要进行中间格式转换,在线读取同时可对三维模型进行自动轻量化处理,并将数据保存在本地;

(2) 对于发动机零部件模型,需保留设计特征参数,导入后能够保留和显示完整结构树,导入后的模型几何无变形,不失真,CAD模型相关点、线、面、弧长、角度等精确尺寸信息可导入到虚拟现实软件中;

(3) 针对来自不同协作单位提供的多种异构CAD三维模型(比如Creo、CATIA、UG等),支持局域网内多台电脑之间的异构CAD三维模型同时在线读取,并导入到虚拟现实软件的同一场景中。


图6 构建出虚拟维修样机及核查的仿真环境

3.4开展虚拟仿真

1) 静态分析

(1) 间距分析及维修通道设计。计算LRU 及其固定螺栓等部件与周围环境部件的最小间距,判断周边空间是否满足拆装要求。(在MakeReal3D VMPro中可做数字样机模型的精确距离测量,显示精度可达到0.01cm)。


图7 在MakeReal3D VMPro中可做精确间距测量

(2) 运动碰撞分析。分析LRU 在拆装的过程中,是否与其它部件发生碰撞,判断周边空间是否满足拆装要求。


图8 分析LRU在拆装的过程中的空间干涉

(3) 虚拟人姿态分析。设置虚拟人的操作姿态,生成可视区域和可达区域包络面,判断LRU 及其固定螺栓等部件是否可视或可达,是否有足够的操作空间。


图9 可达性分析

2) 动态分析

通过制作虚拟人的维修演示过程来仿真零件/附件的拆装,并在仿真过程中检验拆装工艺是否合理、工具是否适用、是否有足够的操作空间,以及虚拟人运动的舒适度评价分析。


图10 维修演示过程动态分析


图11 维修过程中人员的腰脊椎受力分析

3.5判定核查结果

以MakeReal3D VMPro软件模块为基础,包括必要的专业数据库如中国标准人体库、维修动作库、维修姿态库、工时库、维修工具库等,既可做桌面式的可维修性评价,又可结合虚拟现实头盔、动作捕捉设备和数据手套等虚拟交互设备,为维修性虚拟仿真及核查提供沉浸式的虚拟应用环境。可提供基于人机工效的评价方法,通过考察维修对象的可达性、可视性、维修人员的工作姿态、操作简便程度、维修时间,环境因素等,给出分析评价结果和修改建议。


图12 维修性综合评估报告示意图


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