虛擬維修技術在民航飛機維修性的評估研究

馬麗璇，孫書霞，李恩義

（安陽工學院飛行學院，河南安陽455000）

飛機的維修性是飛機維修的難易程度，是設計所賦予的一種固有屬性，必須在產品設計的過程中考慮。傳統維修性是通過全尺寸模型及物理樣機實現，利用實驗或者手工開展的，大部分的維修性評估工作不能夠有效地開展[1]。同時，維修性設計雖然與飛機設計同步進行，但其缺陷通常要到制造階段，甚至使用與維修階段才能發現，這導致很多的維修缺陷留在了最終產品中。虛擬維修技術應運而生并為解決上述傳統維修技術問題提供技術支撐。

虛擬維修技術（Virtual Maintenance）是利用虛擬技術對物理世界形象、直觀的表達能力，在計算機生成的虛擬環境中，進行維修工程和維修性工程活動的技術。虛擬維修以數字樣機代替昂貴的物理樣機，利用數字樣機仿真飛機的維修過程，評估飛機的維修性，克服了實物樣機制造周期長、成本高、難以修改的缺點。應用虛擬維修技術進行系統可達性分析，盡可能早地發現設計中可能存在的維修性問題并將這一流程納入系統研發流程中的方案權衡階段甚至更早期階段，可進一步提高方案質量，降低后期工程更改風險，對保證飛機質量、可靠性、降低飛機的維修成本、縮短飛機設計周期具有十分重要的意義［2］。

1 虛擬維修技術體系

1.1 虛擬維修建模總體框架圖

虛擬維修技術包括以下幾個方面：①虛擬人體及工具建模；②虛擬維修環境建模；③虛擬維修過程建模；④虛擬維修過程仿真分析；⑤基于虛擬維修仿真的維修性分析及評估模型。其中虛擬建模包括人體建模、各種設備及工具等的三維數字模型的建立，一般通過CAD、CATIA等軟件實現，而評估模型提供維修性評估、維修性演示驗證、維修過程檢查、維修訓練與評估、設計修改建議、人機工效評估等功能。圖1為虛擬維修建模總體框架圖。

圖1 虛擬維修建模總體框架圖

1.2 虛擬維修仿真流程

DELMIA的虛擬維修仿真流程，以維修任務為仿真對象，在建立虛擬樣機、維修人員人體模型的基礎上，用戶與系統采用交互的方式，將整個維修過程形象、逼真、直觀地再現出來，同時將仿真過程中獲取的各種數據提供給維修性分析評價人員，進行相關的維修性分析與評價，并提出設計修改建議，使整個飛機維修過程更加科學化、人性化。以A320飛機燃油系統為例，搭建虛擬維修環境，利用DELMIA進行虛擬維修仿真分析，圖2為虛擬維修仿真流程圖。

2 維修性設計及評估

A320飛機的燃油系統是整個飛機十分重要的部分，通過對其維修性的分析，可以分析其維修性的好壞，以及其對維修效率和成本的影響。對于飛機這樣的昂貴的復雜系統，只有具有良好的維修性，才能夠降低維修過程中的人為差錯，才能夠保證良好的安全性能，進而得到航空公司的青睞。因此要對產品的維修性進行系統的分析［3-4］。維修性分析及評估主要包含維修人員可視性分析和維修工具可達性分析兩個方面。

圖2 虛擬維修仿真流程圖

2.1 維修人員可視性分析

維修人員可視性主要是在維修的過程中，維修人員能否清晰地看見所要維修的部件。所有的維修操作信息多半以上都是通過視覺傳遞的，因此在設計飛機內部布局的時候，一定要留出足夠的空間，使布局合理以滿足工作人員的可視性要求［5］。在一定的姿勢下，人的視覺范圍是固定的，并且有可見度好的區域和差的區域。DELMIA平臺中根據人的眼睛功能，把頭部靜止、眼睛正常活動的狀態下的區域分為三種情況：良好視區（A）、有效視區（B）、可見視區（C）三部分。在A區有良好的視覺環境，雙眼的視覺范圍為水平120°左右、垂直方向視覺上下各35°。區域劃分圖如圖3所示。

維修人員可視性評級可由故障部位位于維修人員最佳視錐及最大視錐來打分，具體評級為五級制度。具體如下：一級指故障點位于最佳視錐區域內可見，可視性良好；二級指維修部位位于最大視錐區域內，通過調整姿態可以實現最佳視錐內可見，可視性良好；三級指故障點位于最大視錐區域內，通過調整姿態不可實現最佳視錐內可見，可視性一般；四級指故障點位于不可見區域內，通過調整姿態可以實現最大視錐內可見，可視性一般；五級指故障點位于不可見區域內，通過調整姿態不可實現最大視錐內可見，可視性極差。由以上評級可知級別越高，維修人員可視性越差。

圖3 區域劃分圖

2.2 維修工具可達性分析

維修工具可達性是指在虛擬維修過程中，在一個姿勢下維修人員上肢所能達到的范圍，測量人的位置到維修部位之間的距離，并結合人體工程學的因素確定在該位置維修是否舒適［6］。可達性評分可由維修人員與故障部件之間的距離以及其與設備之間是否有障礙物來打分，具體評級為五級制度。具體如下：一級指維修工具位于可達性范圍內，故障點與人員之間不存在障礙物，可達性良好；二級指維修工具位于可達性范圍內，故障點與人員之間存在障礙物，通過調整姿態可達，可達性一般；三級指維修工具在可達性范圍之外，通過調整姿態可達，可達性一般；四級指維修工具位于可達性范圍內，與人員之間存在障礙物，通過調整姿態亦不可達，維修時需要先拆卸其他部件，可達性差。五級指維修工具位于可達性范圍之外，通過調整姿態亦不可達，可達性極差。由以上評級可知，級別越高，維修工具的可達性越差［7］。

3 飛機壓力加油控制器故障虛擬維修過程仿真運用

A320飛機燃油系統是飛機重要系統之一，壓力加油系統是飛機燃油系統的重要組成部分，地面供油系統通過壓力加油系統給飛機各個油箱加油，以滿足飛機飛行動力的需要。加油系統用于控制加入和放出飛機的燃油流量。壓力加油由一個位于右側下腹部整流罩內的加油控制面板控制。加油管接頭(安裝在右側大翼的前緣內)是飛機油箱和外部加油車之間的連接口。以A320飛機燃油系統飛機油箱和外部加油車之間的連接口為例，搭建虛擬維修環境，利用虛擬維修仿真對其內部進行可達性仿真。

利用DELMIA軟件對仿真對象進行仿真，并進行可達性分析，根據軟件分析的結果，對其進行評分，按照上文的評分級別分別對維修人員的可視性及維修工具可達性進行評估。可以得到，維護該區域的連接接頭時，維護人員的可視性良好、可達性一般。

4 結論

本文針對民航飛機維修性設計的特點，在虛擬維修仿真的基礎上，以A320飛機燃油系統壓力加油故障維修性設計為例，對飛機燃油系統的維修性進行了分析，將虛擬維修技術引入到飛機維修性設計與評估工作中，闡述了虛擬維修仿真的流程。通過維修人員可視性分析、維修工具可達性分析，給出了虛擬維修技術的維修性評估方法，從中找出影響維修性設計的因素進而及時改進，使人體處于舒適工作狀態，減少疲勞，以提高整機維修性。