数字化仿真技术在飞机装配中的应用研究

数字化仿真技术在飞机装配中的应用研究

马国鹏

中航西安飞机工业集团股份有限公司 710089

【摘 要】飞机装配水平不断发展进步，已从原来的人工装配发展到数字化装配，极大地提高了飞机装配的精度与质量。本文先介绍了数字化仿真技术，在此基础上，对其在飞机装配中的具体应用进行了着重探讨，为进一步提升飞机装配质量提供遵循与借鉴。

【关键词】数字化装配；飞机装配；仿真技术

飞机是目前制造行业中结构最复杂、设计和制造难度最大的产品，在整个飞机生产过程中，飞机装配是极为关键和复杂的环节，装配精度和技术要求比较高。因为飞机结构中包含大量形状复杂的柔性薄壁零件，装配工作量巨大，在装配过程中，受到零件、工装、装配变形及随机误差等各种因素的影响，不可避免地会产生一定装配偏差，导致飞机装配精度降低，直接影响到后续部件及总装的装配质量和飞机的性能。在信息科技及仿真技术发展的推动下，飞机装配现已实现数字化装配。其中，数字化仿真技术在飞机装配中的应用，对提高飞机装配综合质量有较高的应用价值，其能对各装配零件进行模拟仿真，确保飞机装配达到预期效果。

一、数字化仿真技术简述

飞机数字化装配是适应快速研制和生产及低成本的装配技术，主要包含数字化工装、装配虚拟仿真技术、柔性装配技术等。数字化仿真技术是以虚拟现实技术和人机工程仿真技术为基础的，应用该项技术，生产者不用生产出产品实物，也不需要借助生产过程支持，就能利用计算机画出虚拟模型，建立基于产品、工艺、生产过程的数字化实体模型，对数据进行可视化和精准化表达，并可直接据此进行生产决策。数字化仿真技术是现代制造技术的关键组成部分，将其应用于飞机装配中，可实现飞机装配前的虚拟装配。技术人员可以基于虚拟装配来科学制定装配工艺，设计装配工装，可对相关的设计方案以及制造工艺等进行虚拟模拟，发现设计缺陷，验证和预判解决装配中可能遇到的各项不稳定、不确定等影响因素，可有效减少误差，提高装配工艺流程的可靠性，避免重大和颠覆性的错误，实现飞机数字化、柔性化、信息化、模块化装配，极大地提高飞机装配的效率与质量。

虚拟仿真技术与装配工艺的结合，在现代飞机设计、制造和装配中有着举足轻重的地位，建立基于虚拟现实技术并结合相关航空专业学科的虚拟现实仿真平台，也是当前航空工业重点开展的信息化建设项目之一。数字化仿真技术实现了两个层次的映射：一是利用底层产品虚拟模型映射产品物理模型；二是借助虚拟装配仿真对真实物理装配过程进行实现。数字化仿真技术作为虚拟制造研究领域的重要研究分支，集成与应用了多种先进学科领域知识，能促进缩短产品开发周期、降低成本、优化生产效率。目前，数字化仿真技术还存在一定的局限性，这也是其未来发展的方向，如基于零部件生产模型的虚拟装配，未对零部件生产中加工过程导致的零部件变形、缺陷等问题进行考虑，需要转向基于零部件生产模型；零部件在自身重力下会出现变形或受力不均等情况，在飞机等大型机械设备上这个问题尤其突出，将虚拟装配技术与CAE技术相结合，尽可能地对零部件的受力和变形问题进行考虑，提高虚拟装配的真实性。 

二、飞机装配中数字化仿真技术的应用

（一）创建仿真装配工作环境

在飞机数字化装配中，应用数字化仿真技术，第一步需要先创建工作环境，这样才能夯实后面仿真工作的基础。创建工作环境主要内容就是设置选项参数、插入资源、插入产品。在插入资源环节，讲工装数模、工具数模、人员模型等插入；在插入产品环节，将产品数模插入。

（二）创建仿真

Process Library是数据存放库，创建数据存放库，就是将Process Library插入后，再创建一系列的动作，完成工艺规划创建。装配仿真的创建是通过创建基本动作来实现的，记录产品对象项目和资源项目的初始状态，并确保其不受到任何干涉。然后将产品移动，再次记录其运动轨迹，使其达到最终需要状态。

（三）仿真装配干涉

根据飞机装配流程，在虚拟环境对装配过程中因零件、组件、部件或工装之间发生碰撞等导致不能进行正确装配的情况进行仿真。飞机装配工艺人员根据仿真情况分析干涉原因，对装配流程和产品数模等进行改进和优化。

（四）仿真装配顺序

在虚拟环境中，依据现有装配流程，对于零件、组件、部件装配顺序进行仿真，能直观地发现零件、组件、部件是否能够按照工艺设计装配流程执行下去，找到最优装配顺序，提前避免因装配流程导致的生产周期延误等问题。

（五）仿真人机工程

根据飞机各系统装配难易程度，基于 DELMIA 的数字化装配仿真技术在总装设计阶段、部装设计阶段和零组件装配阶段都可应用，基本都可提供出合适的解决方案，以来完成虚拟场景搭建、导入、装配仿真等。根据操作工人体型输入相应的参数，应用 DELMIA软件自动生成人体模型，使人体模型与真正操作工人保持完全一致。将设置好的人体模型插入产品环境中，评估人行走、抓取、定位等姿态，这样可提前发现与人相关的错误并进行提前修正。特殊部位的工作环境，可借助DELMIA人机工程进行仿真，如空间狭小的钻孔、铆接、螺接等都可按如此进行。

（六）仿真工艺布局

工艺布局仿真能为飞机装配提供可靠的依据，提高装配效率和技术水平，降低装配制造成本。在三维工艺布局设计中，对产品、资源、流程及操作者之间的三维动态进行仿真，按3P模拟出最优结果。

三、应用案例

随着数字化制造技术和仿真技术的不断发展，虚拟仿真装配技术在航空制造领域得到推崇，其能有效降低产品研制风险和减少开发成本，应用效果与效益都非常显著。在飞机的各构成部分中，飞机舱门的装配精度要求比较高，如果装配质量不高，就会对飞机整体装配质量产生直接的影响。飞机舱门实际制造和装配过程中，要对舱门外部构造进行合理设计，特别是设计铰链机构和连接横纵梁时，因其结构不仅非常复杂，而且零件分布也非常密集，就可应用数字化仿真装配技术。应用仿真装配技术来对飞机舱门装配作业进行模拟时，要先对相关零部件安装流程及资源信息进行全面掌握，再对装配部件、环节等进行模拟，这样可提前发现问题并解决。先应用DELMIA仿真装配环境，获得仿真模型后，再将其插入飞机装配型架和数字模型中。在此基础上，再依据装配部件实际位置，调整仿真环境，使其达到组件装配仿真模拟要求。数字化仿真技术在飞机装配过程中的应用，也要结合具体的飞机装配工序进行，这样了真正做到虚拟现实仿真，保障仿真装配技术在飞机装配中的适用性。在确定仿真装配工序后，在对各零部件进行仿真，将模型插入到装配节点中，保证飞机装配效率及精度。为更好地提供直观的部件安装信息，在进行飞机装配仿真中还要加大对其三维形态的仿真力度。在DPM中完成部件组装流程，要精准测量组装零部件之间的间隙及距离，对部件间位置情况进行精确掌握。数字化仿真技术还能计算分析飞机装配中的相关参数，根据结果，相关人员可优化改进飞机部件装配流程、工序及路径等，为飞机装配提供完善的技术支持。

四、结语

综上所述，飞机装配工作直接影响到其整体运行质量和飞行安全，是飞机制造领域重点关注问题。现在，飞机装配已步入数字化装配时代，数字化仿真技术在飞机装配作业中也逐渐得到应用。数字化仿真技术能简化装配环节，提前发展和解决问题，可为飞机装配质量提供强有力的技术保障，值得在飞机装配领域进一步推广应用。

【参考文献】 

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