航空發動機數字化裝配仿真關鍵技術研究

■ 劉志軍 劉智武 吳曉鋒 胡思嘉 魏小紅 / 中國航發西航

數字化、自動化、智能化裝配技術是提升航空發動機的裝配質量和效率的必然手段，建立航空發動機數字化裝配仿真流程架構模型，對數字化裝配的關鍵技術進行分析，可以為實現航空發動機數字化智能裝配提供支持。

航空發動機裝配包括部件裝配、總裝裝配等環節。相關研究表明，裝配成本占航空發動機總成本的40%，裝配工作占整機生產的50%以上，裝配工藝及裝配操作執行過程對航空發動機性能有著至關重要的影響。為保證航空發動機正常運行，首先，機匣、盤、軸、葉片以及噴嘴等零組件必須具有精密的配合和連接狀態，高度的同心和同軸度，良好的轉子平衡性和平穩性；其次，空氣、燃油和滑油系統須具有良好的密封和清潔性；同時要求各附件和管線具有抗振、防磨以及絕緣等性能。

隨著航空發動機推重比、可靠性等各項技術性能指標的提升，研發難度顯著增大，傳統裝配技術已經難以滿足航空發動機研發模式變革要求，面臨的難題主要有：裝配工藝設計及驗證依靠技術人員經驗和現場物理試裝，須反復迭代更改，生產周期長；人工手動裝配，裝配精度可控性較差，效率提升緩慢；裝配過程受人為因素影響較大，執行操作可靠性及裝配質量穩定性不足，易出現錯裝、漏裝的現象。

圖1 數字化裝配工藝設計與仿真流程架構

數字化智能裝配技術能顯著提高產品裝配效率和質量，一直受到歐美等發達國家的高度重視。飛機裝配經歷了從人工裝配、半機械/半自動化裝配，到自動化/數字化裝配的發展，為了進一步提高飛機裝配效率及質量，數字化智能裝配技術已成為發展的必然趨勢[1]。結合航空工業的發展歷程，為有效解決航空發動機數字化智能裝配難題，提升航空發動機裝配技術水平，數字化裝配工藝設計、裝配工藝仿真、裝配性能仿真等正成為航空發動機數字化智能裝配的研究熱點和發展趨勢。因此，針對上述問題，筆者研究了航空發動機數字化裝配工藝設計與仿真的流程架構模型，并提出了關鍵技術研究內容及解決途徑。

數字化裝配工藝設計與仿真的流程架構

數字化裝配工藝設計與仿真是依據產品物料清單（EBOM）、工藝物料清單（PBOM）、工裝和設備等數據構建裝配物料清單（ABOM），基于產品三維模型建立輕量化工藝模型，通過裝配順序、裝配路徑規劃開展詳細裝配工藝設計，并經過虛擬裝配仿真形成三維可視化裝配工藝規程等結構化工藝流程及數據，從而滿足生產現場裝配執行過程的數字化管控、可視化指導等要求，其基本工作流程如圖 1所示。

數字化裝配工藝設計

數字化裝配工藝設計通過裝配工藝的可視化和結構化，可提高工藝設計質量，并保證裝配工藝可操作性，同時可為生產現場提供數字化的裝配指令，是實現航空發動機數字化智能裝配的基礎。數字化裝配工藝設計一般包括工藝模型構建、ABOM構建、裝配工藝規劃、容差分析以及三維可視化工藝生成等研究內容。

工藝模型的構建是基于模型的定義（MBD）技術，在產品MBD基礎上創建輕量化的工藝模型，用于工裝設計、大數據量虛擬裝配仿真、三維可視化裝配工藝編制。

ABOM構建是通過數字化手段實現裝配工藝結構化的關鍵，在PBOM基礎上增加外購件和外供件。

裝配工藝規劃與ABOM構建同步進行，建立相關零組件與裝配工藝、工序、設備、工裝之間的關系，規劃零組件裝配順序，制定裝配工藝細節技術要求。

通過工藝模型開展可視化裝配工藝的文件編制和仿真驗證，工藝設計結果已不再是傳統的工藝規程，而是能夠滿足裝配工藝數字化管理要求的整套結構化工藝數據，并清晰地反映出裝配工藝、裝配流程及工藝資源的相互關系。

數字化裝配工藝設計離不開軟件系統的支持，發動機企業應綜合航空發動機裝配工藝設計方法及流程、產品及工藝數據管理、車間數字化生產管控數據傳遞等方面的需求，開發建立適合自身產品的數字化工藝設計平臺。

數字化裝配工藝仿真

數字化仿真技術是航空發動機自主研發的必要手段，能夠顯著降低研發成本、縮短研制周期[2]。裝配工藝仿真技術作為航空發動機數字化智能裝配的關鍵技術之一，是在部件裝配和總裝裝配過程中，以航空發動機產品模型、工藝裝備模型、產品實測數據等為基礎，結合裝配路徑、工藝參數、裝配精度和人機工程等方面的要求，在數字化虛擬環境中進行全裝配過程的虛擬驗證及工藝優化，從而保證裝配方案的合理性、準確性和可實施性。航空發動機裝配工藝仿真的研究內容包括兩方面：一是裝配工藝路徑及裝配順序仿真、干涉檢查、人機工程仿真等可裝配性方面的分析驗證，即虛擬裝配；二是裝配精度或裝配性能方面的模擬驗證，如轉子堆疊模擬優化、葉片排列仿真優化等內容。

虛擬裝配工藝仿真

在計算機中對發動機進行虛擬裝配，通過裝配工藝路徑、裝配順序仿真，重點對裝配過程是否發生干涉進行檢查，可避免零件尺寸、工藝裝備尺寸、裝配順序以及裝配路徑不合理導致的干涉問題。通過人機工程仿真，按照各零部件裝配順序、裝配路徑，對虛擬人體模型進行控制，模擬生產現場裝配過程中工人的各種實際操作狀態，可分析裝配動作的可達性和可視性，同時對作業空間進行分析評估，以確保裝配工人處于最舒適的工作姿勢。

眾所周知，波音公司在787客機研制過程中應用了三維數字化設計及仿真技術，成功縮短了裝配工藝規劃和更改的時間。以洛克希德-馬?。羼R）公司、普惠公司等為首的軍工制造企業在產品研發過程中通過應用虛擬裝配技術，也取得了巨大成就。目前，國內飛機制造企業在飛機裝配工藝仿真技術研究及應用方面取得了較大進展，基于達索DELMIA軟件平臺，在裝配工藝路徑驗證、干涉檢查及人機工程等方面開展了飛機裝配工藝過程虛擬仿真技術研究及應用。吳騰等人在航空發動機低壓渦輪裝配過程中開展了相關研究，通過驗證得出，數字化仿真代替物理樣機試裝能夠檢驗裝配過程的合理性，是對裝配工藝及裝配工具驗證及優化的一種快速有效的手段[3]。復雜產品裝配規劃與仿真系統具有裝配工藝設計、工藝路徑仿真、裝配工序圖自動生成等功能，可提高產品一次裝配成功率并降低裝配成本。

從目前的研究及應用情況可以看出，虛擬裝配仿真尤其適用于新型號研制或首批生產，以便優化工藝設計，縮短研制周期和降低成本。傳統的三維數字化模型參與裝配過程仿真導致數據量過大，對計算機硬件和軟件均提出較高要求，因此三維模型輕量化是裝配工藝仿真應重視并解決的一個關鍵問題。產品三維模型、工裝模型、設備模型和人體模型是實現裝配工藝路徑及裝配順序仿真、人機工程仿真等虛擬裝配的基礎，在航空發動機裝配工藝仿真技術應用過程中應將相應模型及數據庫構建作為一個重要項目來實施。

隨著虛擬現實(VR)、增強現實(AR)、混合現實（MR）等數字化、智能化技術的發展，智能裝配技術已經得到了應用，如圖 2所示。波音公司通過應用該技術使得工人組裝線束的錯誤率降低了50%，時間縮短了25%，GE、賽峰等企業也正在航空發動機裝配過程中應用該技術。國內很多專家學者也開展了該方面的技術研究和應用驗證，基于混合現實技術開發了智能裝配系統，探索實現了虛擬裝配技術在航空航天產品裝配過程中的應用。基于VR、AR、MR及人工智能技術的虛擬裝配仿真、數字化操作引導、自動智能檢測技術，將是未來提升航空發動機等復雜裝備裝配效率和裝配質量的一個重要方向。

裝配性能仿真

采用裝配精度或裝配性能仿真，可根據產品裝配所需的各類零部件的實測數據（如幾何尺寸及公差、質量、偏心量等），確定合理的工藝參數，從而保證各零部件裝配的最佳配合及連接狀態、同軸度或平衡性等性能要求。

裝配性能仿真涉及多種學科理論和航空發動機運行核心規律，需要大量的試驗迭代驗證，國內外公開的成熟應用研究成果較少。航空發動機轉子裝配堆疊仿真作為典型的專用裝配驗證優化技術在GE、普惠和羅羅等航空發動機企業得到深入應用[4]。孫汕民等人針對航空發動機高壓轉子部件，研究了堆疊仿真優化技術原理，分析了堆疊仿真軟件的應用情況，并指出集成機理模型和智能算法的綜合模型是裝配精度及性能仿真方面的研究及應用重點[5]。柏樹生等人針對航空發動機壓氣機機匣，基于有限元仿真的方法分析了螺栓緊度分布及加載順序對機匣裝配同心度的影響規律，指出機匣類零件裝配過程中通過對稱、輪流對螺栓施加相同的預緊力，能保證機匣裝配同心度要求[6]。潘明輝等針對鉚接裝配變形開展了有限元仿真和工藝試驗驗證，為大型薄壁件裝配制造精度的提高奠定了技術基礎[7]。

目前，針對航空發動機裝配性能有效檢測的方法較為缺乏，其裝配質量多數依靠整機試車驗證間接得到，但檢測效率、周期、成本都不盡如人意。隨著航空發動機技術性能指標、質量可靠性、安全性等要求的提高，裝配精度或性能仿真作為航空發動機制造企業裝配性能檢測及驗證的核心技術，必將得到廣泛深入的研究和發展，與之對應的零部件制造數據庫構建、仿真算法開發等研究也應同時得到重視。

結束語

數字化虛擬仿真是提升航空發動機裝配質量和效率的有效技術手段，面向航空發動機產品裝配全流程，深入研究及應用數字化工藝設計、虛擬裝配工藝仿真、裝配性能仿真，加快裝配工藝仿真與裝配技術、檢測技術的有機融合，有利于快速提升航空發動機裝配的智能化、數字化、自動化水平，減少制造裝配過程中的人工犯錯因素，提高裝配過程的穩定性和可控性。