維修性專題( 一 ) : 航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性虛擬核查的應(yīng)用實(shí)踐
引言
在以往實(shí)踐中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維修性核查工作一直根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或在產(chǎn)品樣機(jī)裝配后開展，一方面增加了設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)，另一方面當(dāng)遇到結(jié)構(gòu)不滿足維護(hù)要求時(shí)需重新設(shè)計(jì)，進(jìn)而延長(zhǎng)產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)周期，極大限制了我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的快速發(fā)展。數(shù)字樣機(jī)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中做維修性核查工作已經(jīng)是一種成熟有效的解決方案，可通過建立虛擬環(huán)境模擬產(chǎn)品維修過程，對(duì)產(chǎn)品可維修性進(jìn)行核查分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品維修性設(shè)計(jì)中的問題，盡量做到將維修性問題封閉在設(shè)計(jì)階段。
圖 1 在虛擬環(huán)境中做航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維修性核查
一、維修性虛擬核查技術(shù)現(xiàn)狀
隨著技術(shù)的高速發(fā)展，誕生了許多虛擬現(xiàn)實(shí)輔助工程軟件，此類軟件具備強(qiáng)大的仿真功能，主要包括西門子的JACK 軟件，達(dá)索的DELMIA 軟件等。然而該類產(chǎn)品大多只針對(duì)于設(shè)計(jì)驗(yàn)證中的部分環(huán)節(jié)，單一軟件無法覆蓋全流程。
二、維修性虛擬核查流程
維修性虛擬核查主要包括：確定核查要求、制訂核查方案、制作虛擬樣機(jī)、開展虛擬仿真、判定核查結(jié)果等方面。維修性虛擬核查具體工作流程如圖3 所示：
具體工作流程及內(nèi)容如下
（1）確定核查對(duì)象(LRU)，明確具體的核查任務(wù)清單；
（2）根據(jù)核查任務(wù)，從產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)PDM中選取數(shù)字樣機(jī)的三維設(shè)計(jì)模型，主要是核查對(duì)象、周圍部件、相關(guān)管線、機(jī)體結(jié)構(gòu)、工具設(shè)備等；
（3）根據(jù)前期準(zhǔn)備，制訂核查方案，明確核查內(nèi)容；
（4）建立虛擬工作場(chǎng)景，制作數(shù)字樣機(jī)；
（5）根據(jù)選用的具體核查方法，用虛擬仿真軟件進(jìn)行維修性的核查仿真；
（6）最后判定仿真結(jié)果是否滿足維修性要求。若滿足，給出合格結(jié)論，若不滿足，需針對(duì)相應(yīng)的核查內(nèi)容，給出改進(jìn)建議。
三、 基于VMPro做航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性虛擬核查的工作流程
3.1確定核查要求
本文以拆卸某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)上油濾的濾芯（LRU）為例，進(jìn)行開展維修性核查工作的說明（本模型非真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，僅供應(yīng)用示意參考）。如圖4所示：
維修性虛擬核查可分為“靜態(tài)分析”和“動(dòng)態(tài)分析”兩種，內(nèi)容如下。
1)靜態(tài)分析
沒有虛擬人的運(yùn)動(dòng)過程，以數(shù)字樣機(jī)自身間距運(yùn)算和運(yùn)動(dòng)碰撞運(yùn)算（計(jì)算在運(yùn)動(dòng)過程中是否有相互碰撞）為主，可以加入固定操作姿態(tài)的虛擬人來分析操作空間是否具有良好的可達(dá)性。
2)動(dòng)態(tài)分析
制作虛擬樣機(jī)時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件數(shù)量巨大，在模型導(dǎo)入時(shí)容易出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)現(xiàn)象。需要應(yīng)用模型輕量化技術(shù)從多量級(jí)、輕量化模型生成和復(fù)雜場(chǎng)景的分層級(jí)拆裝兩方面對(duì)模型進(jìn)行處理，能夠降低對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的性能要求，提高維修性虛擬核查效率。
1)多量級(jí)輕量化模型生成
在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬核查仿真過程中，各零部件的功能作用不同，對(duì)其模型信息的要求也不同，根據(jù)此可將參與仿真的模型劃分為原始模型、高級(jí)輕量化模型、低級(jí)輕量化模型3個(gè)量級(jí)。
2) 復(fù)雜場(chǎng)景的分層級(jí)拆裝分層級(jí)拆裝實(shí)質(zhì)是將一個(gè)復(fù)雜場(chǎng)景拆裝為幾個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，然后再進(jìn)行仿真，降低了復(fù)雜場(chǎng)景對(duì)計(jì)算機(jī)硬件性能的要求。按照產(chǎn)品的裝配層次，場(chǎng)景可分為：組件場(chǎng)景、產(chǎn)品整體場(chǎng)景。VMPro支持多種工作場(chǎng)景下CAD數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，如：對(duì)于維修的工作場(chǎng)景，支持三維模型或場(chǎng)景基于OpenGL的在線讀取導(dǎo)入，無需進(jìn)行中間格式轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)保存在本地。除此之外還支持多種CAD模型數(shù)據(jù)的異構(gòu)融合，導(dǎo)入后能夠保留和顯示完整結(jié)構(gòu)樹與特征信息，幫助快速構(gòu)建逼真的維修數(shù)字樣機(jī)和虛擬工作環(huán)境。
3.4開展虛擬仿真
1)靜態(tài)分析
(1)間距分析及維修通道設(shè)計(jì)。計(jì)算LRU及其固定螺栓等部件與周圍環(huán)境部件的最小間距，判斷周邊空間是否滿足拆裝要求。（在VMPro中可做數(shù)字樣機(jī)模型的精確距離測(cè)量，顯示精度可達(dá)到0.01cm）。
(2)運(yùn)動(dòng)碰撞分析。分析LRU在拆裝的過程中，是否與其它部件發(fā)生碰撞，判斷周邊空間是否滿足拆裝要求。
(3)虛擬人姿態(tài)分析。設(shè)置虛擬人的操作姿態(tài)，生成可視區(qū)域和可達(dá)區(qū)域包絡(luò)面，判斷LRU 及其固定螺栓等部件是否可視或可達(dá)，是否有足夠的操作空間。
2)動(dòng)態(tài)分析
通過制作虛擬人的維修演示過程來仿真零件/附件的拆裝，并在仿真過程中檢驗(yàn)拆裝工藝是否合理、工具是否適用、是否有足夠的操作空間，以及虛擬人運(yùn)動(dòng)的舒適度評(píng)價(jià)分析。
3.5判定核查結(jié)果
以VMPro軟件模塊為基礎(chǔ)，包括必要的專業(yè)數(shù)據(jù)庫如中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)人體庫、維修動(dòng)作庫、維修工具庫等，既可做桌面式的可維修性評(píng)價(jià)，又可結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔、動(dòng)作捕捉設(shè)備和數(shù)據(jù)手套等虛擬交互設(shè)備，進(jìn)行沉浸式的虛擬維修仿真?？商峁┗谌藱C(jī)工效的評(píng)價(jià)方法，通過考察維修對(duì)象的可達(dá)性、可視性、維修人員的工作姿態(tài)、操作簡(jiǎn)便程度、維修時(shí)間，環(huán)境因素等，給出分析評(píng)價(jià)結(jié)果和修改建議。
