基于DELMIA的飞机翼身对接装配仿真技术研究与应用

冯琳娜，殷之平



基于DELMIA的飞机翼身对接装配仿真技术研究与应用

冯琳娜1，殷之平2

（1.上海飞机制造有限公司，上海 200436；2.西北工业大学，陕西 西安 710072）

结合飞机翼身对接的装配过程，探讨了DELMIA软件在飞机装配仿真中的应用。在介绍某型号飞机翼身对接结构和装配工艺流程的基础上，完成了对接路径规划、操作工具安装仿真以及人机工程仿真等工作，提前发现了装配过程中遇到的问题，缩短了产品生产周期，保证了翼身对接区的装配质量和生产效率。

翼身对接；装配仿真；装配工艺；DELMIA

翼身对接是整个飞机对接过程中的重要一环，飞机机翼与中央翼（以下简称“翼身”）对接区是飞机主承力关键结构，对接区也是飞机受力最严重、最复杂的部位，对接区质量直接关系着飞机的飞行安全和使用寿命。

在传统的装配方式中，凭借工艺经验来进行翼身对接工作，到现场装配阶段，出现工装返修、对接路径反复、装配效率低下、对接周期延长等问题的概率会很大。随着数字化技术的发展，三维数字化装配工艺仿真技术的应用可以解决传统装配方式遇到的问题，其可以根据工艺设计的装配序列来设计各装配零件的装配路径，进行装配干涉检查，改进产品和工装设计，有效减少装配缺陷和产品的故障率，保证产品的装配质量。美国波音公司在研制Boeing 777的过程中，运用三维数字化装配过程仿真，同时结合装配自动化技术、先进定位技术和简易型架装配技术，使产品开发周期缩短了40%～60%，制造成本也降低了30%～40%[1].因此，在整个飞机研制过程中采用装配仿真技术非常必要。

本文基于DELMIA软件，对某机型的翼身对接工作进行了仿真分析，规划了对接路径，分析了装配过程中可能出现的问题，评估了工人操作的舒适性以及装配工具的可达性，有效节省了装配时间和费用。

1 DELMIA软件

DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application，数字企业精益制造交互式应用）是法国达索公司出品的具有较强模拟仿真功能的三维设计软件。它以数字化制造技术为核心，重点解决制造过程的仿真问题，并提供了定义和模拟数字化仿真的各项功能，主要包括制订面向制造工艺流程的概念和预计划，模拟和监视制造流程，优化资源（如车间、装配线、工作单元、工人和机器人等），对车间的规划等。DELMIA有上百个子模块，按功能划可分为DPE（数字工艺）、DPM（数字制造）、RMS（资源建模与仿真）等，各个相对独立的模块通过PPR（Process，Product，Resource）Hub连接到一起，形成完整的“数字工厂”，开展产品制造过程的模拟和分析，并对仿真过程中的产品、资源和装配过程以及分析结果进行有效管理和输出[2]。

2 翼身对接区结构介绍

某机型翼身对接区将中央翼1#肋选为工艺分离面，1#肋由上缘条、下缘条，前三叉接头、后三叉接头及1#肋腹板组成，如图1所示。1#肋上缘条为“十”字形模锻件机加而成，侧向上立筋与机身蒙皮相连，水平方向分别与外翼上壁板及中央翼上壁板连接；下缘条为“⊥”形模锻件机加而成，与外翼下壁板、中央翼下壁板及下对接带板连接；前、后三叉接头均为“T”形模锻件机加而成，前、后三叉接头分别与中央翼前、后梁和外翼前、后梁连接。

图1 翼身对接区结构

3 数字化装配仿真内容

在DELMIA中进行装配仿真主要完成以下5个方面的内容[3]。

3.1 装配路径的仿真

根据已有的产品信息、装配工艺流程信息，定义好每个零部件的状态，选定若干可行的路径，对产品进行三维动态对接仿真，根据仿真结果，选取易于现场操作的最优路径。

3.2 装配干涉的仿真

在产品对接仿真过程中对每个零件、部件进行干涉检查，当系统发现对接过程中存在干涉时情况时，对发生干涉的零部件以及干涉量进行检查，并分析干涉原因，进行结构上的优化，并将优化建议反馈给工程。

3.3 零件装配和制造资源的仿真

在对接仿真完成后，对对接区的零件进行装配仿真，检查对接区结构是否有利于后续零件的安装，同时导入制孔工具和紧固件安装工具的模型，在工程定义的连接模型的基础上中，检查飞机结构是否有足够的空间进行制孔和安装紧固件的操作。

3.4 人机工程仿真

在产品与制造资源仿真的基础上，将定义好的三维人体模型放入对接环境中进行人体与其所制造、安装、操作与维护的产品之间互动关系的动态仿真，以分析工人在对接区工作的姿态、负荷等，进而修改和优化产品、工艺流程和制造资源等。

3.5 装配过程的记录

将整个装配过程记录下来，形成可以播放的影片格式，指导现场操作人员进行飞机装配，实现可视化装配，同时也可以对飞机维护人员进行上岗培训，帮助操作人员直观了解操作全过程。

4 翼身对接的装配工艺仿真

4.1 数据准备及工艺规划

将确定好的装配模型导入DELMIA中，根据已有的装配资源（工装、设备等）、工艺方案进行仿真前的准备工作。飞机翼身对接的基本工艺流程如下：①将中央翼放置在柔性支撑定位器上；②测量中央翼上的基准点，调整姿态；③将机翼起吊至外翼调姿定位器上，固定后调整定位器，将机翼对接至中央翼，在对接面允许的位置公差范围内调整外翼，使外翼上的水平测量点符合工程要求，最后锁定定位器，完成对接。

在工艺分离面1#肋结构中，前三叉接头与后三叉接头的零件尺寸较大，且二者与外翼对接面的开口角度不同，二者的工艺状态影响外翼的对接路径。

根据前三叉接头与后三叉接头不同的工艺状态将对接方案划分为3种：①将前、后三叉接头都带在中央翼上；②将前、后三叉接头都带在外翼上；③将前三叉接头带在中央翼上，后三叉接头带在外翼上；3种方案由于工艺状态不同，对接路径也各有差异。3种方案的区别如图2所示。

4.2 装配仿真结果及分析

将划分好分离面状态的工艺数模导入至DELMIA中，利用已有的装配工艺流程信息（Process）、产品信息（Product）和资源信息（Resource），定义3种不同的机翼对接路径，实现翼身对接过程的三维动态仿真。翼身对接路径仿真如图3所示。最后的仿真结果表明，方案一为最优方案，翼身对接工艺分离面完整、清晰，多为直线推进，对接路径简单；方案二的缺点是由于三叉接头的翻边限制，对接时外翼上壁板与上缘条间隙量较小，极易发生干涉，对产品的零件制造公差、组件装配变形等工艺控制要求较高；方案三的缺点是装配过程中间隙量较小，且由于中央翼、外翼均未形成封闭结构，对接面变形难控制，造成翼身对接区所需补偿量增大。通过比较优劣，最终选定了方案一中确定的工艺状态和对接路径。

图2 3种方案的状态对比

图3 翼身对接路径仿真

4.3 装配工具的操作性仿真

翼身对接区受力形式复杂，结构夹层厚、材料种类多、紧固件数量多、孔径大。对于大直径的紧固件，手工安装费力，需要气动安装工具来进行。以上这些特点造成在对接区进行装配作业时，容易发生两种干涉：①制孔工具或安装工具与产品结构发生干涉，如图4所示；②紧固件安装顺序产生的干涉，如图5所示。

图4 安装工具与1#肋腹板面立筋干涉

通过将紧固件实例化以及对装配工具进行操作仿真，可在实际装配前发现制孔问题和紧固件安装问题。若发生第一种干涉，可将问题反馈给设计部门，对钉位或孔径进行修改；若发生第二种干涉，则在装配工艺文件中特别注明，编制正确的安装顺序，防止出现紧固件安装干涉。

图5 安装的螺杆与已安装的紧固件干涉

4.4 人机过程仿真

翼身对接装配时，外翼1#肋至3#肋之间形成了密闭的工作区域，需要工人爬入油箱内部进行作业。油箱内部人体的可达性以及作业空间的舒适性可通过DELMIA中的人机工程模块（Human Activity Analysis）进行模拟检验。

在人体模型资源模型库中选择最接近中国人的韩国人体模型，根据装配工作的需要改变人体模型尺寸，其他设定根据需要进行编辑。对人体模型尺寸及其姿态的调整不仅有助于求得合理的工作区域，而且有助于装配辅助工具的优化设计。编辑完成后将人体模型导入到当前工作区，模拟工人要进行的装配工作，同时根据需要导入工作台、制孔工具等必要设备。图6为人体模型尺寸的编辑过程。

仿真结果显示，油箱空间和油箱口盖的尺寸便于工人进入油箱作业，但人体与机翼壁板发生接触的部位——壁板上的长桁不但影响工人作业的舒适度，而且会发生碰撞长桁的现象，为了保护产品并提高人员操作舒适度，可提前定制产品保护垫；而在油箱外机翼上壁板作业时，由于翼面高度较高，如果无保护措施，工人在操作时可能会发生坠落现象，因此要设计相应防护工装来保证工人作业安全。人机工程仿真结果如图7所示。

图7 人机工程仿真结果

5 结束语

本文基于DELMIA软件对飞机的翼身对接过程进行了装配仿真与人机工程仿真。仿真结果证明，在飞机的研制阶段应用装配仿真技术可以提前发现并解决产品、资源以及工艺设计中出现的各种问题，可以提前对产品结构进行优化，对装配工艺进行改进，降低产品的制造成本，改善工人的作业环境，提高飞机的生产效率。但因学习和研究时间有限，对DELMIA的许多其他功能尚未进行深入研究和应用，而这些功能对提高DELMIA系统的应用水平和效益也起着重要的作用，因此有必要对DELMIA软件进行进一步研究，充分发掘其功能。

［1］范玉青.现代飞机制造技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2001.

［2］李景新，郑国磊.DELIMA系统在飞机装配模拟中的应用研究［J］.航空制造技术，2008（11）：90-94.

［3］吴晓叶.装配仿真技术在飞机翼身对接中的应用［J］.上海电力学院学报，2012，28（3）：276-280.

2095－6835（2018）21－0147－03

V262.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.147

冯琳娜（1984—），女，工学硕士，现从事飞机结构装配工艺工作。

〔编辑：严丽琴〕