基于Creo的固體火箭發動機試驗虛擬裝配技術應用

翟 曉 田振宇 張宗強

基于Creo的固體火箭發動機試驗虛擬裝配技術應用

翟 曉 田振宇 張宗強

（西安航天動力測控技術研究所，西安 710025）

為了提高固體火箭發動機試驗裝配效率及準確性，以Creo軟件為平臺，研究了虛擬裝配技術在試驗中的應用。主要介紹了試驗工裝三維建模過程、虛擬裝配方法，并通過干涉檢測分析方法檢測了試驗結果、工裝設計。通過在某型號固體火箭發動機殼體外載荷試驗中應用表明，該方法不僅可以模擬試驗裝配流程，驗證工藝流程的合理性，而且可以對試驗結果進行干涉檢測，推動了固體火箭發動機試驗數字化的進程。

三維建模；虛擬裝配；干涉檢測

1 引言

固體火箭發動機試驗在試驗裝配時不僅工裝數量較多，而且涉及到多種測試、加載設備的安裝。目前，固體火箭發動機試驗裝配存在諸多問題，主要表現：在二維設計圖紙基礎上編寫裝配工藝文件效率較低；裝配工藝優化性能差、無法提前驗證其合理性；二維圖紙和工藝文件對現場安裝的指導性差，容易造成錯裝、重裝等現象[1，2]。

虛擬裝配以數字化建模技術、計算機仿真技術、分析優化技術為基礎，利用產品的三維模型在計算機界面模擬現場裝配情況，并允許操作人員通過各種指令控制產品的裝配過程。虛擬裝配過程無需實物參與，在產品設計階段即可利用CAD軟件實現從零件到組件、從組件到整體的復雜裝配過程，并通過裝配順序、路徑規劃、干涉分析等驗證裝配的合理性。虛擬裝配技術在預裝配階段即可提前暴露安裝問題，對于提高裝配效率和質量、降低成本有顯著作用，因此在工程、航天航空、軍事、建筑等領域得到廣泛應用[3～5]。

本文以Creo軟件為平臺，研究了虛擬裝配技術在固體火箭發動機試驗中的應用，主要實現了試驗裝配對象的三維建模，利用虛擬裝配技術優化裝配工藝，并分析安裝干涉問題，驗證安裝工具操作空間，避免錯裝和重裝，最終形成最優化裝配方案。

2 建立三維模型

建立實體裝配對象的三維模型是進行虛擬裝配的首要前提，參與試驗的實體主要有試驗工裝、設備、工位等。

其中，按照使用功能可以將試驗工裝分為通用承載工裝和邊界支承工裝。通用承載工裝與試驗室內的固定承載件或邊界支承工裝構成承載系統，主要包括承力點接頭、承力梁、承力地軌螺栓、拉桿系統以及標準立柱等，部分三維模型如圖1所示。邊界支承工裝是模擬試驗件兩端邊界條件的工裝，主要包括加力梁、加力帽、籠形支承、試驗平臺、模擬過渡段等，部分三維模型如圖2所示。

圖1 通用承載工裝三維模型

圖2 邊界支承工裝三維模型

圖3 液壓作動筒和試驗工位三維模型

參與到裝配過程的試驗設備主要為加載系統（液壓作動筒），三維模型如圖3a所示。試驗工位主要指試驗場地及試驗室內的固定承載件（承力點、承力地軌、承力墻、承力地坑等），與通用承載工裝組合構成一個完整的承載系統，試驗平臺及剪力墻等試驗工位如圖3b所示，可以完成試驗工裝和試驗件的裝配及固定。

3 虛擬裝配

虛擬裝配技術主要在Creo環境中運行。根據試驗大綱提出的試驗要求及初步確定的試驗工藝流程，在Creo的裝配界面按照工藝流程進行各零部件的組裝。以某型號固體火箭發動機殼體的外載荷試驗為例，虛擬裝配的基本流程如下。

3.1 選擇試驗工位

根據試驗件連接尺寸及加載要求選擇匹配的試驗工位，本試驗主要使用試驗平臺及剪力墻工位。

3.2 確定裝配工藝流程

裝配工藝流程是虛擬裝配技術的重要內容，如圖4所示，為某型號固體火箭發動機殼體的外載荷試驗裝配工藝流程。裝配過程涉及試驗件、試驗設備（液壓作動筒）、試驗工裝在試驗場地的安裝固定。

圖4 殼體外載荷試驗裝配工藝流程

3.3 驗證裝配工藝流程

圖5 作動筒固定板裝配過程圖

將試驗件、試驗工裝及試驗設備，按照裝配工藝流程逐步導入Creo裝配模塊，并根據各零件之間的位置關系，使用“距離”、“重合”、“角度”、“法向”等放置約束將其安裝固定。作動筒固定板的裝配過程如圖5所示。另外，裝配過程需要綜合考慮安裝工具的可操作性。在試驗用常用裝配工具包括螺絲刀、套筒、扳手、量具等，因此在虛擬裝配時加入工具的實體模型并分析空間可操作性，才能形成較為完善、符合實際操作的裝配工藝。圖6為扳手安裝承立柱螺栓的裝配過程圖，從圖中可以看出扳手的操作空間足夠，可順利安裝。

圖6 扳手安裝承力柱螺栓裝配過程

根據裝配工藝流程完成某型號固體火箭發動機殼體外載荷試驗的裝配，過程中未出現試驗工裝和試驗件之間的碰撞，驗證安裝流程設計合理，裝配結果如圖7所示。

圖7 某型號發動機殼體外載荷試驗裝配結果

4 干涉檢測

圖8 安裝干涉情況

Creo軟件的虛擬裝配模塊具有多種類型的功能性檢測手段，利用分析模塊中的全局干涉、體積干涉、全局間隙和配合間隙等功能，可以檢測試驗件與工裝、工裝與工裝的配合情況，依據檢查結果修改工裝尺寸或裝配方式。利用Creo虛擬裝配模塊中的全局干涉功能，檢查試驗工裝裝配情況，發現過渡框與試驗平臺、作動筒與底座之間存在干涉，如圖8所示。通過加長連接螺栓、修改底座尺寸，解決干涉問題，修改結果如圖9所示。

圖9 工裝干涉處理結果

由于虛擬裝配技術加強了裝配過程最關鍵的空間、尺寸控制，在虛擬裝配過程中不僅可以獲得試驗件與工裝的尺寸配合從而指導現場安裝，并且可以對試驗工裝設計的準確性進行驗證，因此能夠提前發現在試驗中可能出現的工裝、試驗件的設計問題，降低技術風險，提高裝配效率。

5 結束語

通過固體火箭發動機虛擬試驗技術的應用，可以實現試驗工裝的三維可視化，并開展裝配順序規劃，有利于探索多種試驗方案，幫助工藝人員獲得最優化的裝配方案。同時可以驗證安裝的準確性，極大地避免實際試驗裝配過程中可能出現的各種異常現象，簡化試驗裝配中檢測與診斷過程，提高試驗的安全性與經濟效益。因此，逐步深化虛擬裝配技術與實際試驗過程的結合度，使虛擬裝配系統更好服務于試驗階段，有助于提高固體火箭發動機試驗水平。

1 曹文鋼，王志忠，姜康，等. 三維裝配工藝設計方法研究[J]. 機械研究與應用，2013，26(4)：8～10

2 熊濤，孫剛，劉孟周. 數字化技術在衛星總裝中的應用[J]. 航天器環境工程，2008，25(1)：80～83

3 謝叻，肖波，吳巧教，等. 虛擬裝配技術及應用[J]. 模具技術，2006(1)：60～63

4 肖慶東，王仲奇，馬強. 大型飛機數字化裝配技術研究[J]. 中國制造業信息化，2007，36(3)：26～29

5 沈重，張家雄，戰玉曉，等. 基于DELMIA的復雜航天器數字裝配技術與應用[J]. 航天制造技術，2015(1)：61～64

Application of Virtual Assembly Technology for Test of SRM Based on Creo

Zhai Xiao Tian Zhenyu Zhang Zongqiang

(Xi’an Aerospace Propulsion Testing Institute, Xi’an 710025)

In order to improve the assembly efficiency and accuracy of test for SRM, the application of virtual assembly technology in the test is studied in this paper. The three-dimensional modeling process and virtual assembly method of test tooling are introduced, and the assembly results and tool designing are tested by mean of interference detection.The application in external load test of various kinds of SRM shell shows that this method can not only simulate the assembly process, verify the rationality of the process, but also interfere with the test results. Virtual assembly can promote the digitalization of SRM.

three-dimensional modeling；virtual assembly；interference detection

翟曉（1984），高級工程師，固體力學專業；研究方向：發動機靜強度試驗研究。

2018-05-07