裝配仿真技術在某型航空發動機中的應用

王秋陽 李 敏

（中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海201108）

0 引言

國內民用航空發動機在裝配分析上，主要采用定性分析方法。通過分析裝配順序和裝配路徑，人為憑經驗判斷，一般無法準確預估實際裝配過程中可能出現的干涉，無法保證裝配性，從而導致需在裝配階段進行結構更改，造成時間及成本的浪費。比如，某航空發動機在進行IGB機匣與前承力機匣裝配時，發現在其裝配路徑上前承力機匣的最小內徑小于IGB機匣的最大外廓尺寸，導致IGB機匣無法裝配。產生該問題的原因主要是在該發動機設計時，僅進行了最終裝配狀態的干涉情況檢查，并未進行裝配路徑上的干涉檢查。為解決該問題，對零件狀態進行了修改，額外浪費了大量人力、物力。所以，提前暴露并解決裝配干涉問題顯得尤為重要。

現階段，計算機輔助裝配技術得到了一系列的開發和應用，通過裝配仿真技術，可以建立并固化裝配分析流程；在概念設計階段，建立裝配仿真模型，可對整機裝配進行干涉檢查，規劃整機裝配路徑，最大程度地發現并解決裝配干涉問題，保證裝配可行性。目前，CATIA V5、UG等三維軟件，不僅可進行三維實體建模，還可在此模型基礎上進行模擬裝配和干涉檢查等。

本文主要介紹使用西門子公司Teamcenter Vis Mockup軟件下的Path planning模塊在三維模型的基礎上采用裝配仿真技術進行動態、靜態干涉檢查，以規劃整機裝配路徑。

1 裝配仿真技術概述

1.1 裝配仿真技術定義

裝配過程仿真是指基于三維仿真技術，對發動機裝配過程進行虛擬仿真，動靜態干涉檢查，規劃整機裝配路徑。裝配過程仿真作為數字化裝配技術的重要一環，包括裝配序列定義、裝配路徑規劃等方面。通過裝配過程仿真技術，可以保證整機裝配不出現干涉現象，結合加工、裝配、測量工藝，可對發動機的定位基準、裝配順序、測量方案等進行優化。

1.2 裝配仿真技術國內外運用情況

美國波音公司在研制波音777時，運用并行工程的思想，實現三維數字化裝配過程仿真，同時結合裝配自動化技術、先進定位技術，使開發周期縮短了40%～60%，制造成本也降低了30%～40%，飛機的設計過程中沒有使用一張圖紙，全部在計算機中模擬完成。波音777的地板梁裝配時間由19周減少到3周，減少了設計變更，縮短了工藝規劃時間，裝配周期縮短50%，工藝設計周期縮短30%～50%。洛克希德馬丁公司在研制JSF戰斗機X-35過程中明確提出采用數字化裝配技術，要使JSF飛機裝配制造過程的周期縮短67%，工裝減少95%，制造成本降低50%；空客公司在飛機研制過程中通過實施數字化設計與制造技術，把產品的試制周期從4年縮短為2.5年。

在發動機整機裝配動態、靜態干涉檢查和路徑仿真方面，雷相波[1]進行了“虛擬裝配的3D空間動作路徑方法研究”；田富君等[2]提出了一種基于視點跟隨的裝配路徑規劃方法，并采用一種基于投影法的多層次動態路徑干涉檢查算法來對裝配路徑的有效性進行驗證；邵毅等[3]提出了一種基于VMap（可視圖）法的裝配路徑求解方法，通過對配合特征和裝配約束的分析及靜、動態干涉檢查，判斷并生成合理的裝配路徑；J.Sun等[4]基于三維可視平臺，在三維模型基礎上，模擬分析實施裝配的過程，實現了裝配路徑的實施和裝配干涉檢查；徐麗英[5]提出了“基于CATIA V5平臺模型裝配過程中的干涉分析”，對裝配模型進行碰撞分析、接觸分析和間隙分析，并判斷各元件之間的干涉程度；楊家軍等[6]提出了“基于虛擬現實技術的機構干涉分析”；穆塔里夫·阿赫邁德等[7]進行了“加工中心虛擬裝配建模及裝配干涉研究”；鄭軼等[8]進行了“交互式虛擬裝配路徑規劃及優選方法研究”；劉檢華等[9-10]進行了“面向虛擬裝配的復雜產品裝配路徑規劃技術研究”和“面向虛擬裝配的零部件精確定位技術研究”。

2 三維裝配干涉分析仿真

裝配過程仿真包括裝配序列規劃、裝配路徑規劃以及裝配過程中的干涉檢查，國內外已有大量的專利、論文進行算法研究。本文主要介紹基于Teamcenter Vis Mockup軟件中的Path planning路徑規劃功能進行裝配干涉檢查。

2.1 干涉檢查分析軟件

常見的三維建模軟件例如UG、CATIA等均有裝配路徑檢查功能。但經試用，UG僅能實現裝配空間較充足、算法較簡單的裝配定性檢查，CATIA則存在部分UG文件格式無法轉換成CATIA的風險，且無動態間隙檢查功能，裝配過程仿真的商業應用成熟度不高。虛擬裝配軟件Teamcenter Vis Mockup是西門子公司所開發的一款可進行虛擬裝配的軟件，利用該軟件下的Path planning功能可設置不同的零件之間相互運動的定義方法、運動速度和路線，當零件相互之間存在干涉時能夠準確識別及傳輸。利用Path planning模塊進行路徑仿真界面如圖1所示，仿真結果顯示仿真路徑與實際裝配路徑一致，可應用于裝配干涉檢查和裝配路徑規劃。

2.2 干涉檢查工作原則

使用Path planning模塊進行裝配干涉分析，主要工作原則和方法如下：

圖1 Path planning模塊裝配路徑生成界面

（1）使用仿真軟件模擬各單元體裝配過程；（2）各單元體裝配路徑上及裝配完成后不存在干涉現象；（3）裝配路徑上預留間隙合理，避免出現磕碰、接觸等現象；

（4）對于具有繼承性的發動機研制，在干涉檢查時，對于不同臺份之間的結構差異需進行重點分析，并對區別之處著重進行干涉檢查。

2.3 干涉檢查實施方法

進行干涉檢查分析，主要工作步驟如下：

（1）導入裝配體模型，文件格式為JT；

（2）設置目標件和移動件；

（3）定義初始位置和裝配到位的位置；

（4）設置移動步長和容許間隙，并進行計算；

（5）查看仿真結果，檢測是否存在間隙過小或者干涉的現象。

3 干涉檢查分析應用

對某型發動機各單元體內部、各單元體之間、單元體與外部管路、發動機與試車臺架或飛機之間運用Path planning進行三維干涉檢查，檢查結果顯示，大多數零組件設計結果可以滿足裝配要求，但仍存在局部干涉的情況，尤其是二維設計圖無法清楚表達最終裝配形式或裝配過程中可能影響裝配的零組件。比如：某一安裝邊的連接螺栓在裝配過程中與該安裝邊附近的一處引氣安裝座發生干涉，導致螺栓無法安裝，修改前如圖2所示；針對該干涉問題，通過修改該引氣安裝座的軸向距離來保證連接螺栓可以正常安裝，修改后如圖3所示。

圖2 發動機連接螺栓安裝時出現干涉

針對引言中提到的發動機裝配時IGB機匣與前承力機匣干涉問題，經分析，產生該問題的主要原因是前承力機匣內的前軸承腔設計空間較小，所以IGB機匣的裝配空間較小，導致IGB機匣與前承力機匣裝配時，不能垂直進入前軸承腔，如圖4所示，需要與水平線成一定角度，使IGB機匣單元體徑向直徑最大處可順利通過前承力機匣內徑最小處，但在此過程中，IGB機匣組件的前端通過前承力機匣時，其后端會與前承力機匣后安裝邊處干涉，如圖5所示。

圖3 修改后的安裝邊連接螺栓安裝示意圖

圖4 IGB與前承力機匣水平裝配時的干涉示意圖

圖5 IGB與前承力機匣傾斜裝配時的干涉示意圖

4 裝配驗證

針對上述IGB與前承力機匣干涉問題，考慮到項目進展要求和實物狀態，決定對干涉區域進行打磨。

（1）針對IGB機匣與前承力機匣的干涉區域范圍，根據實物試裝及三維模型模擬裝配兩種分析方法得出的干涉范圍相同；

（2）運用三維模型裝配仿真對打磨掉干涉區域后的前承力機匣和IGB機匣進行模擬裝配，結果顯示可實現裝配；

（3）實物裝配IGB機匣與打磨后的前承力機匣，可順利完成裝配；

（4）裝配后的發動機在完成其原定試驗計劃后，未出現任何潛在問題。

通過三維裝配仿真可有效地為設計及排故等提供有力的技術支持，節省由于設計等不合理帶來的返工、時間以及其他成本的浪費。

5 結語

目前發動機裝配分析主要是對比典型民用航空發動機裝配順序和裝配路徑，定性地判斷整機裝配性，無法準確判斷實際裝配情況。通過三維仿真裝配技術，在方案設計階段，建立發動機裝配仿真模型，進行三維靜態、動態干涉檢查，規劃整機裝配路徑，可最大程度地暴露并提前解決裝配過程存在的干涉問題，保證實際裝配可行性，提高裝配效率，節約成本。

[1]雷相波.虛擬裝配的3D空間動作路徑方法研究[J].電腦編程技巧與維護，2019（12）：79-80.

[2]田富君，田錫天，耿俊浩，等.基于視點跟隨的裝配路徑規劃與干涉檢查研究[J].中國機械工程，2011，22（15）：1810-1814.

[3]邵毅，余劍峰，李原，等.基于VMap的裝配路徑規劃研究與實現[J].西北工業大學學報，2001，19（1）：118-121.

[4]SUN J K,YANG C Y,QIU H H.Assembly Process Planning Based on Tri-dimensional Visual Platform[J].Applied Mechanics and Meterials,2014,644/645/646/647/648/649/650:4805-4808.

[5]徐麗英.基于CATIA V5平臺模型裝配過程中的干涉分析[C]//大型飛機關鍵技術高層論壇暨中國航空學會2007年年會論文集，2007：161-169.

[6]楊家軍，蘇昭群，張明麗，等.基于虛擬現實技術的機構干涉分析[J].湖北工業大學學報，2010，25（4）：1-3.

[7]穆塔里夫·阿赫邁德，張年松，鄭力.加工中心虛擬裝配建模及裝配干涉研究[J].現代制造工程，2002（9）：14-16.

[8]鄭軼，寧汝新，劉檢華，等.交互式虛擬裝配路徑規劃及優選方法研究[J].中國機械工程，2006，17（11）：1153-1156.

[9]劉檢華，寧汝新，萬畢樂，等.面向虛擬裝配的復雜產品裝配路徑規劃技術研究[J].系統仿真學報，2007，19（9）：2003-2007.

[10]劉檢華，寧汝新，姚珺，等.面向虛擬裝配的零部件精確定位技術研究[J].計算機集成制造系統，2005，11（4）：498-502.