虚拟装配技术在飞行器结构设计中应用研究*

娄依志, 周永平, 申 亮, 费王华

(1.中国运载火箭技术研究院 研究发展中心, 北京 100076; 2.空间物理重点实验室, 北京 100076; 3.北京临近空间飞行器系统工程研究所, 北京 100076)

虚拟装配技术在飞行器结构设计中应用研究*

娄依志1, 周永平2,3, 申 亮1, 费王华1

(1.中国运载火箭技术研究院 研究发展中心, 北京 100076; 2.空间物理重点实验室, 北京 100076; 3.北京临近空间飞行器系统工程研究所, 北京 100076)

通过分析飞行器结构装配的特点和难点，在分析虚拟装配的特征和关键的基础上，引入虚拟装配方法，对复杂飞行器结构设计中的虚拟装配实施方案进行探讨和应用，并作出与装配相关的工程决策，可以有效地提高产品装配质量和速度，能够有效地减少设计过程中由于装配而导致的设计反复。

飞行器 虚拟装配 结构设计

Abstract: By analyzing the characteristics and difficulties of assembly of aircraft structure, and analyzing the characteristics and the key of virtual assembly, the method of virtual assembly is introduced. The implementation plan of virtual assembly for complex missile structure is focused on, and engineering decision related to virtual assembly is made , which can effectively improve reduce design error by assembly in product design.

Key words: aircraft; virtual assembly; structure design

0 引 言

装配是产品设计和制造的最终环节，并且也是最重要的环节之一，产品的可装配性直接影响开发成本和开发周期，对产品质量起着决定性的作用，因此装配设计是产品开发的重要步骤之一。

实际装配过程中，通常是以力为作用条件，实现零部件的抓取、移动、装配等操作过程。产品实物模装一直是飞行器如火箭、导弹等结构布局设计和总体设计的重要检验方法，然而，实物模装不仅需要生产一整套产品，还需要投入大量的研制经费，另外还需要对各系统、各厂家进行协调，需要花费大量的时间和精力。

计算机辅助设计技术(CAD)曾推动了装配技术的发展，能使工程师看到产品的最后模型。但CAD 技术不支持装配过程的可视化或装配工艺的规划，仍需要实物样品来验证产品的装配过程，大大增加了产品的开发成本，延长了产品开发周期[1-2]。

虚拟现实通过模拟人的视觉、听觉、触觉、力觉、运动感，使人处于一种与真实世界非常逼真的虚拟世界中，来感受、体验和评价虚拟世界中的产品，利用虚拟现实技术，可以使得虚拟装配在逼真的虚拟世界中进行,虚拟装配技术是虚拟现实技术在制造业的典型应用，也是虚拟制造技术研究的重要方向之一。这种技术可以降低复杂产品的开发难度，缩短开发周期，降低成本，实现产品的并行开发[3-4]。

1 虚拟装配技术

虚拟装配是指在没有实际产品或者物理过程支持的情况下，运用计算机分析、预测模型，用数据表达，辅以可视化，作出与装配相关的工程决策。

目前， 以Pro/E为代表的商用CAD系统中的产品装配建模过程典型表现为，设计者交互指定零件问的配合约束关系，确定零件在装配体中的位置，通过坐标变换将零件定位到装配定位点。这种基于坐标变换的装配建模，实质上是一种面向结果的装配设计方式。设计者关注的只是零件问的装配约束关系及装配体的最终状态， 缺乏对装配约束施加过程、装配顺序与装配路径等装配中问过程的考虑，不符合设计者思维特性，与实际的装配过程并不直接相关。因此，设计者在面向结果的装配建模过程中难以确保产品的可装配性，仍需通过制作实物样机来验证产品装配建模的结果[5-6]。

虚拟装配的关键技术包括零部件建模、装配建模技术、约束定位技术和工艺规划技术，是开发虚拟装配应用系统的必须解决的重要共性技术。

(1) 零部件建模。零部件建模技术从虚拟装配技术发展以来一直是研究的重点。现一般采用常规三维CAD 软件进行产品的建模。有人提出了将虚拟装配中的产品属性和行为信息分为产品层、显示层、特征层和几何拓扑层四个层次，通过产品层次信息模型中的数据和约束映射，实现产品信息层次间的关联。

(2) 装配建模技术。对产品装配模型的研究，国外学者提出了图结构模型、树表达的层次结构模型和基于虚链结构的混合模型，这些模型对装配体静态结构进行了描述。图结构模型是用图描述装配体中各种不同实体间的相互关系，其特点是关系表达较直观，但与产品的实际结构不一致，不能表达零件间的层次关系。层次模型是根据零部件的层次关系以树的形式表达装配并组织产品，能体现设计意图和产品结构，但各零件之间的装配关系的描述不够直观。

(3) 约束定位技术。虚拟装配环境与现实装配环境相比，最主要的就是缺少各种物理约束和感知能力，而只能依靠几何约束对零件进行定位。

(4) 工艺规划技术。设计人员根据经验在虚拟环境中对产品的三维模型进行试装， 规划零部件装配顺序，记录并分析装配路径，选择工装夹具并确定装配操作方法，从而得到经济适用的装配方案。

2 复杂飞行器虚拟装配的开发和使用

飞行器设计是一个多学科协同、反复迭代、逐次逼近的过程。飞行器的论证和方案阶段虽然只占总研制工作量或费用的20%～30%，但对设计方案的技术可行程度却占70%～80%。

飞行器结构的作用是把各分系统，如有效载荷、控制系统、动力系统和测量系统等连成一个整体，为它们提供可靠的工作环境，并承受地面操作和飞行中的外力。

飞行器构成复杂，除结构和动力装置外，还包括控制、通讯、电源、导航等系统；组成零部件多，这使得方案阶段的总体布置不仅工作量大，而且受到结构空间的限制和多学科耦合的影响，系统设备的布置空间十分紧张；同时，总体布置中还要考虑可装配性、维修性、测试性等要求。为避免设计缺陷向下游传递，尽早发现设计缺陷就显得十分重要和迫切。

使用虚拟装配在飞行器的结构设计和仪器设备，在方案阶段和设计阶段就能及时地发现产品装配、系统/设备布置等方面存在的问题，尽可能地避免设计缺陷，能够使得产品研制成本和周期大大的降低。

2.1 飞行器装配间隙检测和分析

飞行器结构设计的一项主要工作是仪器设备布置和安装，是根据设计、工艺和使用等技术要求，协调飞行器结构与各分系统之间的结构空间、相对位置、连接关系，以及与地面设备的接口形式和操作部位，保证各系统在不同的使用环境条件下协调动作、工作正常和安全可靠。间隙检测和分析是虚拟装配设计中所设计的产品是否可装配、所规划的路径是否安全可达、产品的设计是否正确合理的判断依据之一，也是虚拟装配中比较重要的一个研究内容。间隙检测一般包括静态间隙检测和动态间隙检测。

间隙检测检查是指在虚拟装配环境下，检查装配体的各零部件之间的相对位置关系是否存在干涉，装配公差设计是否合理；对飞行器仪器设备布置和安装进行虚拟设计，并且根据设计、工艺和使用等技术要求，使得飞行器的结构设计在符合不同的使用环境条件符合各系统功能和性能要求。

动态间隙检测检查是装配的零部件在装配运动过程中(包括拆卸过程)，其运动包络体是否存在零部件之间的运动干涉。动态干涉检查包括运动干涉检查和运动机构仿真，保证飞行器的运动机构件工作时不与周围零部件发生碰撞干涉，即产品的运动构件能够可靠地工作。

2.2 装配可达性分析

对于飞行器进行虚拟装配规划时，装配人员的作业域是要考虑的一个重要方面。设计者必须事先确定装配操作的工作空间和工作范围，而装配空间是指装配操作人员在固定的装配工位上，在空间内能够触及到的点的总和。在虚拟装配规划的同时计算可操作域，可以计算出那些产品那些零部件处于可操作域之外，这样对于可操作域之外的零部件，在进行差评装配序列与路径规划时优先考虑，通过分解装配、附加设施等额外措施来解决作业域外的零部件。如遇无法解决装配的零部件则可以直接反馈给设计，重新考虑产品设计，避免实际装配中出现不可装配的问题。如图1所示在安装设备时，如果人的手不可操作则应考虑增加辅助工装或者更改设计。

图1 装配可达性分析

在飞行器的早期设计阶段尤其是方案阶段，进行虚拟装配的可行性分析，使得产品设计者在进行规划时考虑到可操作性的因素，减少辅助工装的使用，避免出现难以装配的设计缺陷，从而提高装配规划的效率，即时发现并纠正错误。

2.3 人机工效分析

仪器设备布局中注意薄壁结构承、传、扩散力的特点，使得传力路线最短，并应注意布局的对称性，减少质心横向偏移。飞行器仪器布置与地面设备布置相结合，合理选择接口部位，简化设备，便于操作。

从工效分析的流程图可看出，运动仿真很重要，其可以模拟该部件安装是否在使用，如图2所示。

从工效分析的流程图可看出，运动仿真很重要，它是很多工效分析的基础。现阶段，国内在人体动态仿真方面有基于标准静态姿势库的动态仿真方法和基于基动作的动态仿真方法两种现行的方法。在实际运用中两种方法经常结合使用。

图2 人机工效分析流程图

图3 虚拟装配的舒 适性分析

飞行器由于内部结构狭小，需要装配的零部件多等现实条件的多种约束，需对其进行人工效能分析，其目的是人、对象及环境之间复杂关系进行安全模拟，如图3所示。

图3所示操作人员位于设备内部，进行部段连接时，支持位置不确定，若踩在结构框架上，姿态不舒适，则需要重新设计框架或者相关工装。同时通过视域模块，可判断其设备是否在视觉的可视范围之内。

3 结 语

装配是产品生命周期中的重要环节，与一般的机械产品相比，飞行器的零部件数目多、空间少、装配过程辅助。虚拟装配技术能够减少物理样机和实物样机的数量，在飞行器的设计和实物装配之前，通过虚拟装配过程仿真，及时发现设计、工艺设计、工装设计存在的问题，有效地减少实际装配中缺陷和产品的故障率，减少因装配干涉等问题而进行的重新设计和工程更改，所以通过虚拟装配能够保证产品装配质量。在虚拟环境下实现对飞行器产品的装配仿真，对于预先发现和处理设计错误、降低设计成本、提高产品质量具有重要意义。

[1] 赵丽娟，李世旭，胡建华,等.虚拟样机技术中虚拟装配实现研究[J].机械研究与应用,2007(2):25-26.

[2] 陈国华，程本松，杨 敏.基于CARIA的机械零件虚拟装配方法[J].机械研究与应用，2007(2):15-16.

[3] Yuan X B,Yang S X.Virtual Assembly with Biologically Inspired Intelligence[R].IEEE Transactions on Systems,Man, and Cybermetics Part C:Applications and Reviews,2003.

[4] 万华根.基于虚拟现实的CAD技术研究[D].杭州:浙江大学,1999.

[5] 陶 燚，贺成柱，金建国,等.基于EON studio 的马铃薯覆膜机的虚拟装配技术研究 [J]. 机械研究与应用,2007(1):93-94.

[6] 李建广,夏平均.虚拟装配技术研究现状及其发展[J].航空制造技术,2010(3):26-30.

Research on Application of Virtual Assembly Technology in Aircraft Structure Design

LOU Yi-zhi1, ZHOU Yong-ping2,3, SHEN Liang1, FEI Wang-hua1

(1.R&DCenter,ChineseAcademyofLaunchVehicleTechnology,Beijing100076,China; 2.KeyLaboratoryofSpacePhysics,Beijing100076,China; 3.BeijingInstitueofNearSpacecraftSystemEngineering,Beijing100076,China)

2014-06-24

娄依志(1979-)，男，浙江临海人，高级工程师，博士，研究方向：飞行器设计。

TG95

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1007-4414(2014)04-0125-03