基于DELMIA的飛機翼身對接裝配仿真技術研究與應用

馮琳娜，殷之平

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基于DELMIA的飛機翼身對接裝配仿真技術研究與應用

馮琳娜1，殷之平2

（1.上海飛機制造有限公司，上海 200436；2.西北工業大學，陜西 西安 710072）

結合飛機翼身對接的裝配過程，探討了DELMIA軟件在飛機裝配仿真中的應用。在介紹某型號飛機翼身對接結構和裝配工藝流程的基礎上，完成了對接路徑規劃、操作工具安裝仿真以及人機工程仿真等工作，提前發現了裝配過程中遇到的問題，縮短了產品生產周期，保證了翼身對接區的裝配質量和生產效率。

翼身對接；裝配仿真；裝配工藝；DELMIA

翼身對接是整個飛機對接過程中的重要一環，飛機機翼與中央翼（以下簡稱“翼身”）對接區是飛機主承力關鍵結構，對接區也是飛機受力最嚴重、最復雜的部位，對接區質量直接關系著飛機的飛行安全和使用壽命。

在傳統的裝配方式中，憑借工藝經驗來進行翼身對接工作，到現場裝配階段，出現工裝返修、對接路徑反復、裝配效率低下、對接周期延長等問題的概率會很大。隨著數字化技術的發展，三維數字化裝配工藝仿真技術的應用可以解決傳統裝配方式遇到的問題，其可以根據工藝設計的裝配序列來設計各裝配零件的裝配路徑，進行裝配干涉檢查，改進產品和工裝設計，有效減少裝配缺陷和產品的故障率，保證產品的裝配質量。美國波音公司在研制Boeing 777的過程中，運用三維數字化裝配過程仿真，同時結合裝配自動化技術、先進定位技術和簡易型架裝配技術，使產品開發周期縮短了40%～60%，制造成本也降低了30%～40%[1].因此，在整個飛機研制過程中采用裝配仿真技術非常必要。

本文基于DELMIA軟件，對某機型的翼身對接工作進行了仿真分析，規劃了對接路徑，分析了裝配過程中可能出現的問題，評估了工人操作的舒適性以及裝配工具的可達性，有效節省了裝配時間和費用。

1 DELMIA軟件

DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application，數字企業精益制造交互式應用）是法國達索公司出品的具有較強模擬仿真功能的三維設計軟件。它以數字化制造技術為核心，重點解決制造過程的仿真問題，并提供了定義和模擬數字化仿真的各項功能，主要包括制訂面向制造工藝流程的概念和預計劃，模擬和監視制造流程，優化資源（如車間、裝配線、工作單元、工人和機器人等），對車間的規劃等。DELMIA有上百個子模塊，按功能劃可分為DPE（數字工藝）、DPM（數字制造）、RMS（資源建模與仿真）等，各個相對獨立的模塊通過PPR（Process，Product，Resource）Hub連接到一起，形成完整的“數字工廠”，開展產品制造過程的模擬和分析，并對仿真過程中的產品、資源和裝配過程以及分析結果進行有效管理和輸出[2]。

2 翼身對接區結構介紹

某機型翼身對接區將中央翼1#肋選為工藝分離面，1#肋由上緣條、下緣條，前三叉接頭、后三叉接頭及1#肋腹板組成，如圖1所示。1#肋上緣條為“十”字形模鍛件機加而成，側向上立筋與機身蒙皮相連，水平方向分別與外翼上壁板及中央翼上壁板連接；下緣條為“⊥”形模鍛件機加而成，與外翼下壁板、中央翼下壁板及下對接帶板連接；前、后三叉接頭均為“T”形模鍛件機加而成，前、后三叉接頭分別與中央翼前、后梁和外翼前、后梁連接。

圖1 翼身對接區結構

3 數字化裝配仿真內容

在DELMIA中進行裝配仿真主要完成以下5個方面的內容[3]。

3.1 裝配路徑的仿真

根據已有的產品信息、裝配工藝流程信息，定義好每個零部件的狀態，選定若干可行的路徑，對產品進行三維動態對接仿真，根據仿真結果，選取易于現場操作的最優路徑。

3.2 裝配干涉的仿真

在產品對接仿真過程中對每個零件、部件進行干涉檢查，當系統發現對接過程中存在干涉時情況時，對發生干涉的零部件以及干涉量進行檢查，并分析干涉原因，進行結構上的優化，并將優化建議反饋給工程。

3.3 零件裝配和制造資源的仿真

在對接仿真完成后，對對接區的零件進行裝配仿真，檢查對接區結構是否有利于后續零件的安裝，同時導入制孔工具和緊固件安裝工具的模型，在工程定義的連接模型的基礎上中，檢查飛機結構是否有足夠的空間進行制孔和安裝緊固件的操作。

3.4 人機工程仿真

在產品與制造資源仿真的基礎上，將定義好的三維人體模型放入對接環境中進行人體與其所制造、安裝、操作與維護的產品之間互動關系的動態仿真，以分析工人在對接區工作的姿態、負荷等，進而修改和優化產品、工藝流程和制造資源等。

3.5 裝配過程的記錄

將整個裝配過程記錄下來，形成可以播放的影片格式，指導現場操作人員進行飛機裝配，實現可視化裝配，同時也可以對飛機維護人員進行上崗培訓，幫助操作人員直觀了解操作全過程。

4 翼身對接的裝配工藝仿真

4.1 數據準備及工藝規劃

將確定好的裝配模型導入DELMIA中，根據已有的裝配資源（工裝、設備等）、工藝方案進行仿真前的準備工作。飛機翼身對接的基本工藝流程如下：①將中央翼放置在柔性支撐定位器上；②測量中央翼上的基準點，調整姿態；③將機翼起吊至外翼調姿定位器上，固定后調整定位器，將機翼對接至中央翼，在對接面允許的位置公差范圍內調整外翼，使外翼上的水平測量點符合工程要求，最后鎖定定位器，完成對接。

在工藝分離面1#肋結構中，前三叉接頭與后三叉接頭的零件尺寸較大，且二者與外翼對接面的開口角度不同，二者的工藝狀態影響外翼的對接路徑。

根據前三叉接頭與后三叉接頭不同的工藝狀態將對接方案劃分為3種：①將前、后三叉接頭都帶在中央翼上；②將前、后三叉接頭都帶在外翼上；③將前三叉接頭帶在中央翼上，后三叉接頭帶在外翼上；3種方案由于工藝狀態不同，對接路徑也各有差異。3種方案的區別如圖2所示。

4.2 裝配仿真結果及分析

將劃分好分離面狀態的工藝數模導入至DELMIA中，利用已有的裝配工藝流程信息（Process）、產品信息（Product）和資源信息（Resource），定義3種不同的機翼對接路徑，實現翼身對接過程的三維動態仿真。翼身對接路徑仿真如圖3所示。最后的仿真結果表明，方案一為最優方案，翼身對接工藝分離面完整、清晰，多為直線推進，對接路徑簡單；方案二的缺點是由于三叉接頭的翻邊限制，對接時外翼上壁板與上緣條間隙量較小，極易發生干涉，對產品的零件制造公差、組件裝配變形等工藝控制要求較高；方案三的缺點是裝配過程中間隙量較小，且由于中央翼、外翼均未形成封閉結構，對接面變形難控制，造成翼身對接區所需補償量增大。通過比較優劣，最終選定了方案一中確定的工藝狀態和對接路徑。

圖2 3種方案的狀態對比

圖3 翼身對接路徑仿真

4.3 裝配工具的操作性仿真

翼身對接區受力形式復雜，結構夾層厚、材料種類多、緊固件數量多、孔徑大。對于大直徑的緊固件，手工安裝費力，需要氣動安裝工具來進行。以上這些特點造成在對接區進行裝配作業時，容易發生兩種干涉：①制孔工具或安裝工具與產品結構發生干涉，如圖4所示；②緊固件安裝順序產生的干涉，如圖5所示。

圖4 安裝工具與1#肋腹板面立筋干涉

通過將緊固件實例化以及對裝配工具進行操作仿真，可在實際裝配前發現制孔問題和緊固件安裝問題。若發生第一種干涉，可將問題反饋給設計部門，對釘位或孔徑進行修改；若發生第二種干涉，則在裝配工藝文件中特別注明，編制正確的安裝順序，防止出現緊固件安裝干涉。

圖5 安裝的螺桿與已安裝的緊固件干涉

4.4 人機過程仿真

翼身對接裝配時，外翼1#肋至3#肋之間形成了密閉的工作區域，需要工人爬入油箱內部進行作業。油箱內部人體的可達性以及作業空間的舒適性可通過DELMIA中的人機工程模塊（Human Activity Analysis）進行模擬檢驗。

在人體模型資源模型庫中選擇最接近中國人的韓國人體模型，根據裝配工作的需要改變人體模型尺寸，其他設定根據需要進行編輯。對人體模型尺寸及其姿態的調整不僅有助于求得合理的工作區域，而且有助于裝配輔助工具的優化設計。編輯完成后將人體模型導入到當前工作區，模擬工人要進行的裝配工作，同時根據需要導入工作臺、制孔工具等必要設備。圖6為人體模型尺寸的編輯過程。

仿真結果顯示，油箱空間和油箱口蓋的尺寸便于工人進入油箱作業，但人體與機翼壁板發生接觸的部位——壁板上的長桁不但影響工人作業的舒適度，而且會發生碰撞長桁的現象，為了保護產品并提高人員操作舒適度，可提前定制產品保護墊；而在油箱外機翼上壁板作業時，由于翼面高度較高，如果無保護措施，工人在操作時可能會發生墜落現象，因此要設計相應防護工裝來保證工人作業安全。人機工程仿真結果如圖7所示。

圖7 人機工程仿真結果

5 結束語

本文基于DELMIA軟件對飛機的翼身對接過程進行了裝配仿真與人機工程仿真。仿真結果證明，在飛機的研制階段應用裝配仿真技術可以提前發現并解決產品、資源以及工藝設計中出現的各種問題，可以提前對產品結構進行優化，對裝配工藝進行改進，降低產品的制造成本，改善工人的作業環境，提高飛機的生產效率。但因學習和研究時間有限，對DELMIA的許多其他功能尚未進行深入研究和應用，而這些功能對提高DELMIA系統的應用水平和效益也起著重要的作用，因此有必要對DELMIA軟件進行進一步研究，充分發掘其功能。

［1］范玉青.現代飛機制造技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2001.

［2］李景新，鄭國磊.DELIMA系統在飛機裝配模擬中的應用研究［J］.航空制造技術，2008（11）：90-94.

［3］吳曉葉.裝配仿真技術在飛機翼身對接中的應用［J］.上海電力學院學報，2012，28（3）：276-280.

2095－6835（2018）21－0147－03

V262.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.147

馮琳娜（1984—），女，工學碩士，現從事飛機結構裝配工藝工作。

〔編輯：嚴麗琴〕