基于UG、3DVIA的航空發動機外部管路裝配工藝可視化設計

劉振東，胡一廷，李泳凡

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽，110015）

0 引言

航空發動機外部管路結構復雜、零件繁多，傳統的裝配工藝設計方式難以直觀、快速準確地傳遞其詳細裝配信息。工藝人員設計發動機裝配工藝時，需要查閱大量圖紙、文件，周期較長，稍有疏漏就會發生設計錯誤，而這些錯誤（缺陷）往往要到裝配階段才能顯現。傳統裝配工藝設計缺乏有效的手段對其直觀虛擬驗證，在設計初期階段，工藝設計的合理性、準確性難以保證，工藝優化更是無從談起。傳統的裝配工藝規程需要大量的文字和插圖描述外部管路結構特征，即便如此，也還會因為操作人員理解偏差，導致錯裝、漏裝的現象發生[1-3]。這些問題直接或間接地導致了發動機裝配周期長、返工率較高、裝配質量不穩定，影響了型號研制進程及成本。利用現有的虛擬設計平臺，進行可視化的裝配工藝設計能有效解決上述問題?？梢暬b配工藝設計是在計算機中構建可視化的虛擬裝配場景，借助3維模型進行預裝配，在滿足產品性能與功能的條件下，通過分析、規劃、仿真和評價等手段實現裝配工藝設計及優化[4-6]。

本文采用UG軟件、3DVIA軟件搭建虛擬裝配平臺，為發動機外部管路裝配工藝可視化設計提供1種可行方法。

1 總體流程及其實現

外部管路裝配工藝可視化設計總體流程如圖1所示。

圖1 外部管路裝配工藝可視化設計總體流程

在工藝模型建模過程中，通過UG軟件完成發動機、工裝、設備、人體模型等資源的組裝，經輕量化處理后生成外部管路虛擬裝配場景，形成完備的裝配工藝設計信息[7-8]。

裝配工藝設計過程以虛擬仿真平臺為基礎，從PDM（Product Date Management）系統導入輕量化的裝配工藝模型，采用人機交互的方式完成外部管路裝配序列和路徑規劃、裝配干涉檢測、裝配過程仿真，形成合理的管路裝配工藝。

在裝配工藝輸出過程中，通過編制相應界面集成前期生成的仿真文件，形成交互、可視化的裝配仿真動畫和3維矢量裝配圖解，滿足裝配現場可視化指導、培訓需求[9]。

1.1 工藝模型建模

外部管路工藝模型是可視化裝配工藝設計的數據基礎，可視化裝配工藝的設計過程基于模型的人機交互以及信息數據的組織與存儲，因此工藝模型建立的完整性和高效性對于工藝設計起著至關重要的作用[10-12]。外部管路零件數目龐大、錯綜復雜，其工藝模型應滿足以下要求：（1）準確性。管路的幾何模型和配合約束信息要與設計一致。（2）完整性。工藝模型不僅要包含裝配對象的信息，還要包含管路裝配所需的工裝、工具、設備、人體等裝配資源的信息。（3）輕量化。管路及裝配資源的UG模型數據量極大（GB級），不便于數據傳輸、瀏覽、存儲及裝配仿真交互操作，必須經過輕量化處理。

通過以下3個步驟完成管路裝配工藝模型構建：

（1）UG建模。PDM平臺統一調用裝配體及裝配資源的UG模型，以保證工藝數據與設計數據一致。通過幾何約束關系（如接觸、同心、平行等）完成裝配體、裝配資源模型的組裝，構建工藝模型完整幾何信息（如工藝模型的空間姿態及位置、工藝模型間的配合關系等）[13]。

（2）數據中轉。將UG模型轉換成STEP格式數據。

（3）將STEP格式文件導入3DVIACOMPOSER軟件中，生成XML格式輕量化模型。輕量化處理后，工藝模型數據大小為原來的1/20～1/30。

1.2 裝配工藝可視化設計

1.2.1 總體規劃

總體規劃原則：適應現有的管路裝配工藝方法，便于實現裝配；滿足管路、輔助設備結構設計及使用性能要求；改善人機性能，減少操作人員工位、操作姿態變換頻率，管路區域劃分不宜過大；縮短管路裝配時間，盡可能增加并行裝配區。

本文綜合總體規劃原則將發動機管路劃分為5個并行裝配區域：1區管路，外涵機匣以前右上半側區域；2區管路，外涵機匣以前左上半側區域；3區管路，外涵機匣以后右上半側區域；4區管路，外涵機匣以后左上半側區域；5區管路，發動機底部區域。

模型中不同區域管路通過不同顏色加以區分，劃分結果如圖2所示。

圖2 外部管路裝配區域劃分

1.2.2 BOM重構

BOM重構主要用于模型管理，使之層次分明，便于后續對各區管路裝配工藝詳細設計時快速選取對應模型，同時降低裝配序列、路徑規劃求解的空間難度。此外，重構后的BOM表可用于管路裝配前零件集件、清點。

依據總體規劃，對某型發動機機件設計BOM重新規劃，構建裝配BOM。在3DVIACOMPOSER軟件裝配結構樹管理區構建1～5區管路5個子集，將外部管路劃分至對應子集內。每根管路下依次建立連接件、密封件、固定件3種子集，其中連接件子集用于容納與該管路裝配相關的連接件，如螺栓、螺母、鎖片等；密封件子集用于容納與該管路裝配相關的密封件，如膠圈、密封墊等；固定件子集容納與該管路裝配相關的固定件，如支架、卡箍等。重構后的裝配BOM如圖3所示。

圖3 外部管路裝配BOM

1.2.3 詳細設計

各區的管路裝配序列和路徑規劃，以“可拆即可裝”的假設為前提[14-15]。在3維可視化環境中，以人機交互仿真的方式對管路進行逐層試拆，利用3DVIA COMPOSER軟件自帶的交互式沖突檢測功能判定拆卸序列、路徑的可行性。在得到外部管路各種可行的拆卸序列和路徑后，進行對比分析，選擇較優的分解序列及路徑，通過反向取逆，獲得管路較優的裝配序列、路徑。管路裝配序列規劃流程如圖4所示，各區管路最終裝配序列如圖5所示。

圖4 裝配序列、路徑規劃流程

圖5 各區管路裝配序列

1.3 裝配工藝可視化輸出

外部管路裝配工藝主要輸出形式為3維矢量仿真動畫。動畫界面左側為某型發動機各區域管路BOM結構樹，右側為動畫演示窗口，底部為動畫控制按鈕，如圖6所示。

操作人員通過BOM結構樹選取相應管路，點擊動畫控制按鈕，即可演示該管路的仿真裝配（或分解）；此外，還可以通過鼠標中鍵的滾動實現模型的縮放，通過鼠標右鍵實現模型的旋轉。在裝配動畫中，管路裝配信息一鍵可查，快捷、準確且高效。

圖6 管路裝配仿真動畫界面

2 問題及解決方案

進行外部管路裝配工藝設計時需考慮以下3類可能發生的問題：發動機在研制過程中狀態多變，因局部故障而帶來的非常規分解（裝配）；管路設計結構改變而帶來的工藝變更；管路裝配過程中可能產生的裝配應力。

2.1 非常規分解（裝配）問題

對于管路的非常規分解（裝配），需制定專用工藝。在進行工藝設計時，利用3DVIACOMPOSER軟件選擇集功能，創建發動機外部各附件及相關管路局部模型選擇集，無關模型虛化處理。通過前文裝配序列、路徑規劃方法，規劃該區域內管路分解次序，并以數字編號標明，形成相應分解（裝配）3維圖解。某型發動機主泵分解工藝如圖7所示。

圖7 主泵分解工藝圖解

2.2 工藝變更問題

管路設計結構改變帶來的裝配工藝更新流程如圖8所示。

在工藝模型更新過程中，在原工藝模型（UG）形態下，通過幾何約束關系，確定新管路（零件）的空間位置、姿態以及與其它管路配合關系后，導出新管路（零件）STEP數據，合并至輕量化工藝模型（3DVIA形態下）中。同時刪除多余件模型、BOM以及其裝配仿真。

圖8 裝配工藝更新流程

工藝設計更新的操作如下：

（1）依據總體規劃原則，確定新管路的裝配域；

（2）通過前文BOM構建方法調整管路裝配BOM；

（3）通過前文裝配序列、路徑規劃方法調整相關管路裝配序列及裝配路徑；

（4）進行裝配仿真動畫的更新，增添新管路裝配仿真，調整相關管路裝配仿真演示次序。

在工藝輸出更新中，在動畫控制界面左側BOM結構區增加新管路裝配索引（刪除舊管路索引），調整裝配索引與仿真文件的關聯。

2.3 管路裝配應力的控制問題

以往發動機外部管路裝配模式為“附件定管路”，即在管路裝配前先完成外部各附件裝配，這種裝配模式導致部分插入式管路裝配時存在較大應力，致使管路接頭密封面損傷、膠圈損壞，會使發動機在試車過程中出現漏油情況。

裝配工藝模型上的幾何干涉預示著管路裝配時可能存在應力，在某型發動機外部管路設計時，對Φ20以上管路裝配序列、裝配路徑進行了全3維動態仿真，通過調整管路、附件裝配次序（或路徑）消除模型中發現的動態干涉。Φ20以下的管路自身具備較大彈性，工藝設計時可不做動態干涉檢測。

某管路裝配如圖9所示，調整了管路與附件裝配次序，抑制了該管路裝配應力。

3 結束語

圖9 某管路裝配

(1)提出了基于UG、3DVIA軟件的發動機管路可視化裝配工藝設計方法。介紹了發動機管路可視化裝配工藝設計的總體流程及實現方法，包括工藝模型建模、裝配工藝可視化設計和裝配工藝可視化輸出。

(2)針對發動機外部管路裝配過程中的非常規分解、因管路結構設計變化而帶來的工藝更改、管路裝配應力等問題，利用可視化工藝設計方法提出了相應解決措施。

(3)驗證了該管路可視化裝配工藝設計方法可大幅度提高復雜管路裝配工藝設計效率與質量，滿足了裝配現場可視化指導需求，值得在發動機裝配工藝設計中應用與推廣。

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