虛擬裝配技術在航空發動機燃油附件設計驗證中的應用

滕偉斌 王修專 儲松林 侯 偉 楊志逸

（中國航發控制系統研究所，無錫 214063）

航空發動機燃油附件產品，屬于特殊使用工況下的復雜產品，構成零部件小，數量多、裝配復雜且裝配精度要求高。隨著3D技術在設計、制造端的應用，使得航空發動機燃油附件產品結構更加靈活復雜，因此對其設計方案可裝配拆卸性、使用及維護維修性提出了更高要求[1]。

虛擬裝配技術是虛擬制造技術的關鍵組成部分，在沒有真實產品零部件和工藝裝備資源情況下，能夠基于數字模型，對產品進行虛擬裝配工藝設計、驗證及工程決策，是一種高效、低成本的輔助設計技術[2]。虛擬裝配技術運用于航空發動機燃油附件產品設計階段，可提高裝配、維護維修工藝及過程仿真驗證工作效率，實現功能設計和工藝設計同步研發目標，縮短航空發動機燃油附件產品設計迭代周期，降低加工試制成本[3]。

虛擬裝配技術在汽車、船舶、航空航天、核電、先進制造等領域取得了快速發展和應用，波音、空客等航天公司采用虛擬裝配仿真與優化技術，取得了顯著經濟效益，如空客典型零部件裝配周期縮短了60%，裝配工藝設計周期縮短了30%～50%，裝配成本減少了20%～30%；再例如洛克希德馬丁空間公司和美國航天局合作，運用虛擬裝配技術，對獵戶座宇宙飛船進行了人機工程模擬仿真分析；福特公司利用虛擬裝配技術，使得福特汽車設計改動減少了20%，同時開發周期也從36周縮短至24周[4-7]。我國某型運載火箭在設計、制造階段采用虛擬裝配技術，在虛擬環境中對火箭進行裝配仿真，大大提升了研發速率；另外，國內多家飛機、航空發動機研發單位通過搭建多通道虛擬視景系統，完成了飛機、發動機完整虛擬數字樣機交互式漫游展示[8]。

為了解決航空發動機燃油附件產品因結構靈活、使用工況復雜帶來的裝配拆卸、維護維修困難等技術難題，在某型航空發動機燃油泵-調節器設計研發過程中，引入虛擬裝配技術，并運用Process Simulation虛擬仿真平臺進行設計方案裝配拆卸性、維護維修性虛擬仿真分析，不斷優化迭代設計模型，使燃油-泵調節器在滿足使用技術要求的同時，實現裝配拆卸、維護維修工藝最優化。

1 Process Simulation虛擬裝配仿真平臺

Process Simulation是一款面向三維場景構建、渲染、編輯的虛擬裝配仿真平臺，主要包括虛擬場景構建基礎模塊、3D模型輕量化導入模塊、虛擬裝配操作定義模塊、虛擬裝配仿真模塊和人因工程分析模塊等部分，可用于進行產品裝配工藝設計仿真、人機功效仿真分析等工作。

虛擬裝配操作定義模塊與虛擬裝配仿真模塊的主要功能是實現產品零組件裝配先后順序、裝配路徑規劃和仿真；同時可引入裝配工藝裝備，進行工裝夾具和產品零組件可達性、干涉性仿真分析工作；人因工程分析模塊功能是在虛擬裝配操作定義模塊與虛擬裝配仿真模塊基礎上，引入虛擬數字人體模型，根據人體工程學原理，提升裝配、維護維修效率。

2 燃油附件的結構和裝配難題

燃油泵—調節器作為航空發動機典型燃油附件產品，主要由泵模塊和調節計量模塊組成，某型燃油泵—調節器結構如圖1所示，其中齒輪泵模塊主體由齒輪組件、殼體組件及傳動組件構成，主要作用是燃油增壓，為計量模塊和發動機燃油系統提供維持正常工作的高壓燃油；計量模塊主要由殼體組件、定壓組件、增壓組件和計量組件組成，主要作用是調節齒輪泵輸出燃油壓力及流量。

圖1 燃油泵—調節器結構圖

燃油泵—調節器產品由于其自身結構復雜、緊湊和使用工況特殊等特點，在裝配過程中主要具有以下幾項技術難點：第一，燃油泵-調節器零組件多達300多個，零組件尺寸小且外形相似，如每一處活門組件中，就有多處尺寸極為接近的密封件，如圖2所示。計量活門組件的3處密封圈絲徑均為2mm，外徑相差不超過1mm，且一般活門組件尺寸也較為接近，極易導致燃油泵調節器在裝配過程中容易出現零部件混淆而導致裝配錯誤現象出現，需要制定規范的裝配工藝文件來避免錯裝漏裝等裝配錯誤；第二，燃油泵-調節器結構緊湊，需要驗證裝配工具是否達到要求、裝配操作是否可視；第三，燃油泵-調節器使用工況特殊，往往需要快速維修，因此需要驗證設計是否可快速維護維修。

圖2 計量活門組件圖

3 燃油附件虛擬裝配仿真

針對燃油泵—調節器產品裝配技術難點，在設計驗證階段可引入虛擬裝配技術：首先對該型航空發動機燃油泵-調節器進行了虛擬裝配順序、路徑規劃及可達性進行仿真分析；其次，就燃油泵—調節器試驗臺架拆卸過程進行人機功效仿真分析。

3.1 裝配順序、路徑仿真規劃

裝配仿真規劃過程是在虛擬裝配環境下的工作坐標系（包括產品坐標系、零組件坐標系和空間坐標系）中，對裝配（拆卸）零組件實現沿X、Y、Z三軸平移和旋轉，形成空間三維裝配路徑，從而完成裝配動作定義。這一過程中，以實現部件模塊化裝配、拆卸“移動路徑最簡單、最短”為最優判定準則，依次完成對所有零部件虛擬裝配，隨后即可調用虛擬裝配仿真模塊，進行虛擬裝配仿真驗證，對零部件之間進行靜態干涉檢查和動態干涉檢查分析。

裝配順序的規劃，可以采用正裝法或反裝法，正裝是按產品裝配順序依次進行裝配仿真規劃；反裝是根據“可拆即可裝”原理，將整個產品按順序依次進行拆解，拆解順序的逆序，即為裝配順序。考慮到該型燃油泵—調節器組成零部件小、數量多，采用正裝法容易出現漏裝、錯裝等問題，所以采用反裝法進行裝配順序、路徑仿真規劃。在采用反裝法進行裝配順序規劃時，應優先拆卸易造成損壞或是在拆卸過程中有礙燃油泵—調節器穩定擺放的零組件。就本文所設計的型燃油泵—調節器泵模塊，燃油壓力傳感器屬于敏感元件，在拆卸過程中容易磕碰損壞，同時其安裝位置特殊，在拆卸過程中，影響燃油泵—調節器穩定擺放，因此應最先拆卸；然后拆卸外凸的管接頭等組件；最后依次拆除傳動組件，齒輪組件和殼體組件。

泵模塊上燃油傳感器的虛擬裝配路徑規劃如圖3所示，燃油傳感器通過螺紋連接，固定在泵模塊殼體組件上，根據反裝法，將其繞自身坐標系Y軸逆時針旋轉的同時，沿Y軸負方向平移100mm之后，可以看到其已經與殼體組件完全分離，且沒有與泵模塊上其他零組件產生干涉現象，得到泵模塊上傳感器的虛擬裝配路徑為沿其自身坐標系Y軸旋轉和平移運動所形成的合成軌跡，即完成燃油傳感器裝配路徑規劃。同理，依次拆除管接頭、傳動組件，齒輪組件和殼體組件，即可完成泵模塊虛擬裝配路勁規劃工作。這時就可以調用虛擬裝配仿真模塊，進行虛擬裝配仿真驗證，對零部件之間進行靜態干涉檢查和動態干涉檢查分析。

圖3 裝配順序、路徑仿真規劃

3.2 可達性仿真分析

基于裝配順序、路徑仿真規劃結果，針對復雜殼體組件中特殊狹小空間位置零組件裝配及裝配尺寸鏈測量情況，對零組件自身及工藝裝備資源進行可達性仿真分析，如狹小空間需要用到扳手擰緊螺釘螺母、為保證安裝高度（深度）尺寸需要進行裝配尺寸鏈測量等?？蛇_性仿真分析主要以方便工裝夾具可達性、人的視覺可達性、操作可觸及工裝夾具標準化、通用化為最佳判定準則，對工藝裝備資源、人體操作和產品模型三者之間進行靜態干涉性檢查和實時動態干涉檢查。

虛擬數字人手持內六角扳手拆裝泵模塊上內六角螺塞過程仿真模擬如圖4所示。內六角螺塞所處位置受電插座和進口管接頭限制比較狹小，對其進行工裝夾具可達性仿真極為必要。經過仿真模擬，內六角扳手可在無干涉情況下，順利實現內六角螺塞拆裝，根據可達性仿真分析判定準則，對所有特殊位置零件進行可達性仿真分析，優化、驗證設計模型。

通過可達性仿真分析，首先對該型燃油泵-調節器設計模型在不降低功能和性能要求下進行迭代優化；然后結合虛擬裝配過程，對該型燃油泵-調節器在后期實際產品裝配過程所需要用到的工藝裝備資源進行整理，如圖5所示；最后通過錄屏軟件，將虛擬裝配過程以WMV格式的視頻文件形式輸出，形成該型燃油泵-調節器三維裝配工藝規程，對首件該型燃油泵-調節器產品實際裝配操作進行指導。

圖4 可達性仿真分析

圖5 裝配流程圖

3.3 人機功效分析

該型燃油泵-調節器體積較小、質量較輕，單獨對其進行人機功效分析意義不大，但是當其作為外場可更換部件或內場可更換部件時，一旦出現故障，就需要對其進行更換、維護與維修時，此時操作空間就會受到發動機和飛機零部件限制，出現不可更換、維護或維修情況。為了更好的判斷該型燃油泵-調節器設計方案是否可行，對之進行人機功效分析就顯得尤為必要。

該型燃油泵-調節器總質量8kg，在發動機試車臺架上拆卸過程進行模擬仿真，某一時刻的人體雙手托舉燃油泵-調節器姿態如圖6所示，對其進行人機工程學分析，分析人體重要關節彎曲角度、負荷強度，概率分析結果如圖7所示。

圖6 人機功效分析

通過分析結果可以發現，理論可操作概率為一般人操作完成某一動作的難易程度，該數值越接近100%，則表示該動作越容易完成。一般當理論可操作概率在90%以上，即可認為有經驗的操作人員可輕易完成該動作。從圖7中可以看出，該時刻下人體主要的21個關節部位中，理論可操作概率均在98%以上，且有16個關節部位理論可操作概率為100%，故可以判斷出該時刻人體姿態合理，人體重要關節受力及彎曲符合人機工程學，不會因拆裝空間、重量等因素造成燃油泵-調節器拆裝困難。依次類推，對整個操作過程中重要時刻人體姿態進行人機工程學分析，完成燃油泵-調節器在發動機試車臺架上拆卸過程的人機功效分析，分析結果一方面驗證了設計模型的合理性，一方面總結形成了操作指導性文件，為該型燃油泵-調節器實際試驗過程提供技術支持。

圖7 人機工程學分析結果

4 結語

虛擬裝配技術應用于航空發動機燃油附件產品設計驗證階段，能夠有效分析設計方案可裝配拆卸性、裝配可達性以及后期使用過程中維護維修性。虛擬裝配技術在不試制實物樣機的情況下，及時發現設計缺陷，有效降低了研發成本、縮短研發周期，同時通過虛擬裝配仿真，可以形成一套完整可操作的裝配、維護維修技術方案，為航空發動機燃油附件產品后期批產及使用提供高質量技術支持方案。