基于轻量化模型的飞机装配过程虚拟仿真方法

    飞机结构零件数量巨大、结构复杂、协调部位多，飞机装配在飞机制造过程中不仅劳动量大，而且质量要求高、技术难度大。因此，飞机装配在飞机制造中占有十分重要的地位，飞机装配工作量约占整个飞机制造总工作量的50％一60％，因此如何提高装配效率、降低装配劳动成本，是缩短整个飞机研制周期的关键。随着飞机数字化设计制造技术的快速发展，虚拟装配仿真技术已广泛应用于航空制造业，该技术的应用明显加快了装配工艺方案制定和实施的速度，有利于优化装配工艺方案，从而有效保证飞机的装配质量。在并行工程中，虚拟装配仿真技术的应用，能在设计阶段发现问题，有效地减少设计错误、缩短研制周期、降低风险、节约成本。飞机装配过程的虚拟仿真，涉及到大量的飞机零部件模型、装配型架(夹具)模型、工具模型和人机工程中的人体模型等，故装配仿真场景包含的三维数模较多，且参与构建装配场景的原始模型通常存在大量的冗余数据，导致参与飞机装配过程虚拟仿真的三维模型数据过大，对用于装配仿真的计算机硬件设备提出了极高的要求。

    三维模型的轻量化技术得到了国内外很多专家学者及相关软件供应商的重视并进行了研究。刘云华等提出了一种能够快速浏览的产品三维模型轻量化文件格式，以便于网上发布，并以此为基础开发了三维产品浏览系统和用于生成轻量化文件的接口程序。华中科技大学国家CAD支撑软件工程技术研究中心的王启福等针对网络环境下协同产品开发中复杂产品模型数据交换、远程传输困难等瓶颈问题，提出了一种复杂产品模型数据轻量化算法。高峻峰等提出了一种多量级协同方法，显著提高了基于三维模型的协同产品开发效率。软件供应商也推出了如包含模型设计有关的显示数据的JT格式，只包含模型实体信息并保留装配信息的3DXML格式等轻量化格式。

    上述方法都需要将产品三维模型定义为特定的三维模型轻量化格式，难以在飞机装配过程虚拟仿真软件Delmia中实际应用。为此，本文结合飞机装配过程虚拟仿真的特点，提出了一种基于轻量化模型的装配过程虚拟仿真方法，大大降低了飞机装配过程虚拟仿真对计算机硬件的性能要求。

    飞机装配过程的虚拟仿真内容

    飞机结构复杂、装配层次较多、装配流程较长，装配过程中涉及大量的型架、工具等。

    由于飞机装配固有的复杂性，依靠传统的计算机手段很难在设计的早期阶段就对装配和维护有关的问题做出准确分析，这些问题往往只会在产品开发的后期或最终产品试制过程中，甚至在投人使用一段时间后才能暴露出来。虚拟装配技术正是虚拟现实技术在产品设计中的应用，其目的不仅是为了在产品设计阶段发现产品装配过程存在的问题，而且虚拟装配技术允许装配工程师在虚拟环境下生成产品的装配工艺计划，并且对产品可装配性进行验证。

    利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早地发现装配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程，进行装配工艺规划、现场布局、装配操作模拟等。飞机装配过程虚拟仿真的主要内容包括：

    (1)预装配分析。预装配分析是产品装配完成后，检查产品各零部件间有无干涉现象存在及产品样机功能是否符合设计要求，及时发现零部件间的干涉问题及运动机构设计不合理之处，以更改产品设计。某型飞机中机身预装配仿真结果，如图1所示。

    图1 中机身预装配分析

    (2)装配序列及装配路径规划。在虚拟装配仿真环境中可以动态直观地显示其装配序列和装配路径等。通过初步的观察，可实时发现装配过程中各种明显的工件、工装和工具等环境元素间的空间干涉和碰撞情况，以便及时进行调整，得到较为合理的装配序列和装配路径。图2为某型飞机平尾装配序列及装配路径仿真结果。

    图2 平尾装配序列及装配路径规划

    (3)干涉检查和分析。通过整体干涉检查、可拆卸性检查、约束分析、自由度分析和精度分析等各种分析工具，直观或定量化地考察工件装配的约束状态、细节定义以及空间准确度等问题。其中，干涉检测分为静态、动态和运动等3类方式，利用这些方式对装配路径上的障碍实施自动鉴别，通过计算工件的运动包络体并判断该包络体与环境元素间是否相交来确定工件在装卸中有无干涉问题等。图3为某型飞机导管装配干涉检查仿真结果。

    图3 导管装配干涉检查

    (4)人机工程仿真。对装配过程中影响工人作业的空间开敞性、姿态舒适性和劳动强度等诸多因素进行工艺评估和优化。图4为飞机壁板装配人机工程仿真结果。

    图4 人机工程仿真