基于模型仿真的發動機維修性需求提升方法

■ 盧婷婷 白則群 邵傳金 陳乃威 / 中國航發商發

發動機在投入運營后的維修性設計改進會導致設計成本的激增以及運營收益的損失，因此在研發階段可通過提升維修性需求以實現設計優化，即從源頭確保設計在“做正確的事”。

良好的維修性對提高發動機性能、經濟性及市場競爭力具有重要意義。針對在翼發動機進行維修性設計優化或提升，會產生巨大的設計改進成本及運營經濟損失[1]。成熟的發動機企業，可基于運營階段維護維修數據實現維修性需求提升[2]。對于無歷史產品的企業，只能基于相似機型維修性探索維修性需求提升的方法，但相似產品的信息有限且并非完全可用，無法全面支撐維修性需求提升。因此，對于新研制的民用航空發動機，可以通過模型仿真分析實現維修性需求提升，進而提高維修性設計水平。

發動機維修性需求提升概述

產品的維修性會影響系統效能、全生命周期費用等[3]。民航領域的維修成本占裝置全部運營成本的11%～20%，其中動力裝置部分約占40%[1]。發動機維修性設計不佳會導致一系列運營經濟及安全性問題。提高維修性設計水平，有助于降低全生命周期成本、增強產品性能恢復和運營能力以及推動產品的可持續發展。

基于系統工程原理，通過設計提高維修性水平，首先應明確產品維修性需求，但在實際工作中，存在著需求無法量化、不可驗證等問題，不利于需求落實及驗證。項目經驗表明，由于需求不明確、不合理導致項目失敗的比例高達60%～70%[4]，有效的需求捕獲、管理以及合理的需求定義與分解，對于設計成功、項目成功以及產品成功意義重大。針對需求不合理的問題開展維修性需求提升的工作，可以確保需求可落實、可驗證，實現通過設計提升產品的維修性水平的目標。

在航空發動機研發領域，常用的維修性需求提升的方法有：方法一，基于產品維護經驗，提取信息，有針對性地優化需求實現維修性需求提升；方法二，基于相似產品公開的信息，捕獲維修性提升的內容，轉化為優化的需求條目實現維修性需求提升。但上述方法存在局限性，方法一適用于成熟企業，即具有豐富的歷史經驗數據，對于無歷史產品的企業不適用；方法二捕獲的信息存在不完整、不適用的情況，無法全面支撐產品維修性需求提升。

針對新研制的商用航空發動機維修性需求提升，建立相應的工作流程，通過基于數字樣機的維修性仿真分析，可以實現維修性需求提升，并將該方法及工作流程在研制型號中應用，已經取得了良好的維修性需求提升的效果。

基于模型仿真的維修性需求提升總體框架

產品的使用和維修保障對發動機維修性設計提出了更高的要求，并要求制定的維修性需求具有良好的可實現性和可驗證性。在工業4.0大背景下，基于模型定義（MBD）技術在發動機設計中的廣泛應用，為基于模型仿真分析的維修性需求提升提供了參考和可行思路[2]。該方法普適性強、模型可復用性強，有助于提升設計效率、縮短研發周期、降低成本。

基于模型仿真分析的維修性需求提升方法可在發動機研發階段的早期介入：通過仿真分析，識別維修性需求定義的不足；針對不可量化、不可驗證等需求，識別量化需求、可驗證需求的處理方法，優化需求內容，實現維修性需求提升；以需求約束并指導后續設計階段的維修性設計工作，最終實現維修性提升的目的。

維修性需求提升屬于發動機維修性需求迭代與確認工作的重要一環。根據美國汽車工程師協會（SAE）ARP4754A 飛機系統需求的驗證與確認（V&V）研制流程[3]，發動機維修性需求V&V的層次關系如圖1所示。

依據維修性需求實現的V&V模型，開展基于模型仿真分析的維修性需求提升，首先應搭建開展發動機維修仿真分析的平臺；在平臺基礎上，開展維修操作仿真分析，形成優化的維修性需求，作為設計要求進行傳遞，實現研發過程中的維修性需求提升。

基于模型仿真分析的維修性需求提升方法

基于模型仿真分析的發動機維修性需求提升，在建立完成的虛擬維修仿真環境的基礎上開展。工作資源包括創建仿真分析環境、制定模型化的維修操作仿真程序、制定維修仿真分析判定準則及評價標準。在準備資源完成的基礎上，開展基于模型的維修仿真操作以及維修性分析。通過量化等方式，優化無法落實的需求，實現維修性需求提升。在設計工作中落實提升后的維修性需求，最終提高產品維修性設計水平。

基于模型仿真分析的維修性需求提升與落實方法的工作流程如圖2所示。

圖2 基于模型仿真分析的維修性需求提升工作流程

創建仿真分析環境

仿真分析環境是基于模型仿真分析的維修性需求提升的基礎，仿真環境要素包括發動機數字樣機、維修仿真資源模型、維修性仿真分析程序及維修性判定準則等，各板塊內容如圖3所示。

圖3 仿真分析環境創建

制定發動機維修操作仿真程序

維修操作仿真程序是維修仿真過程中依據的仿真操作步驟。平臺中的仿真程序支持定制化和客戶化修改，以適應不同維修場景下的分析要求。工作內容包括：制定被分析對象在具體維修場景下的維修程序；基于被分析對象、虛擬人、虛擬工具的數字樣機，將維修程序動作要素模型化；形成基于模型的分析對象的維修操作仿真程序。

制定維修性仿真分析判定準則

基于發動機可達性、可操作性和互換性等檢查原則，制定維修性仿真分析判定準則，即仿真過程中發生何種狀態即可判定被分析對象的可達性、可操作性、可視性、操作空間以及維修姿態等設計存在問題。表1為航空發動機短艙系統維修操作空間設計仿真分析判定準則的示例。

如表1所示，仿真分析評分分值越小，表明維修可操作空間設計越好。在仿真分析平臺上開展分析工作時，評估分數低于3分是設計可接受的；大于3分則表明被分析對象操作空間設計不佳，應針對性地進行維修性需求提升，以改進維修性設計。

表1 維修性仿真分析判定準則（維修操作空間設計示例）

針對航空發動機短艙打開空間的維修操作空間設計，制定了“短艙設計應確保足夠的操作空間，以便于維修人員開展發動機維修、維護等操作”這一定性需求。但該需求未量化，存在無法落實與驗證的問題。通過開展基于模型仿真分析的維修性需求提升，可解決未量化、難驗證的問題。

結合表1中的維修操作空間設計判定準則，基于仿真程序在平臺中開展維修操作仿真分析，以不高于3分的操作空間仿真判定準則調整短艙開合角度的具體設計要求值。

模擬仿真發動機維修操作

在仿真平臺上，基于虛擬人、虛擬工具以及制定的維修操作仿真程序，開展發動機維修演示仿真。圖4為針對航空發動機短艙系統開展維修操作空間分析的示例。在航線維修及發動機在翼更換兩個維修場景下的操作空間分析，可分別通過風扇罩鉸鏈及后安裝節這兩個關鍵位置的維修操作仿真分析覆蓋。

圖4 發動機短艙操作空間仿真分析（示例）

指定維修場景下，關鍵分析點的維修操作仿真分析內容包括以下內容：

? 以生理視錐包絡范圍仿真分析可知，當風扇罩打開角度不低于46°時，風扇罩連接鉸鏈在上述兩個維修場景下的維修操作可順利進行，并保證維修操作人員視錐范圍覆蓋關鍵分析點；

? 以風扇罩的操作空間分析準則仿真分析可知，當風扇罩打開角度不低于45°時，風扇罩連接鉸鏈在上述兩個維修場景下開展維修操作、執行維修動作時，與操作人員肢體發生干涉的對象不多于2處，即按仿真準則分析評定，分數不高于3分；

? 以生理視錐包絡范圍仿真分析可知，當反推裝置打開角度不低于40°時，后安裝節在上述兩個維修場景下的維修操作可順利進行，并保證維修操作人員視錐范圍覆蓋關鍵分析點；

? 以反推裝置的操作空間分析準則仿真分析可知，當反推裝置打開角度不低于45°時，后安裝節在上述兩個維修場景下開展維修操作、執行維修動作時，與操作人員肢體發生干涉的對象不多于2處，即按仿真準則分析評定，分數不高于3分。

分析、識別維修性需求的問題

在基于模型的維修操作演示與仿真的過程中，需要結合維修性仿真分析判定準則，分析、識別發動機維修性需求定義不合理存在的問題，如關鍵參數未量化、需求不可驗證等。針對“短艙設計應確保足夠的操作空間，以便于維修人員開展發動機維修、維護等操作”這一需求，通過基于維修場景的仿真分析，發現該需求無法驗證，即對于足夠的空間約束，無法直接影響設計；且在評估、驗證環節，無法判定需求是否被滿足。

通過基于模型仿真分析的維修性需求提升方法，將足夠的空間需求轉化為短艙打開角度的約束，即將在指定維修場景下短艙打開角度的定量約束，轉化為針對短艙操作空間的約束，實現需求提升，有效指導研發階段的維修性設計工作。

制定維修性需求提升和補償措施

結合模型仿真的分析內容及識別的維修性需求定義問題，針對未量化、不可驗證的維修性需求條目，可以制定需求提升或補償措施。具體提升方法應結合實際設計進行判斷：經綜合評估確定可開展設計更改的內容，維修性需求提升可作為設計要求傳遞，進行設計改進、優化，最終實現產品維修性提升；經綜合評估確定不宜開展設計更改的內容，應制定維修性設計補償措施，即通過提高配套的維修保障資源，確保維修便利。

針對如航空發動機短艙的維修操作空間的維修性需求“短艙設計應確保足夠的操作空間，以便于維修人員開展發動機維修、維護等操作”，以航線維修及發動機在翼更換兩種場景下關鍵維修點的維修操作仿真分析，將該需求轉化為可支持維修人員開展維修、維護操作的短艙設計開合角度的相關約束。

通過基于模型的仿真分析確定開合角度的設計約束值，形成提升后的維修性需求條目——為確保足夠的維修、維護操作空間，短艙設計的開合角度應不小于46°。經與短艙設計專業確認，提升后的需求條目實現量化、可落實、可驗證，且避免了超重等設計問題，并已應用于型號短艙維修性設計工作中。

結束語

在航空發動機維修性需求提升工作中，引入基于模型的仿真分析，可以在研發過程中及早識別維修性需求的問題，優化維修性需求，實現需求提升，并在設計中落實。該方法目前已在典型的航線可更換單元（LRU）件的維修性提升工作中推廣應用，解決了部分維修性需求未量化、無法落實、無法驗證等問題。隨著該方法在項目工作中全面鋪開，對于實現全面的維修性需求提升及維修性設計優化意義重大。