浅谈航空维修仿真应用实验室的建设与创新

周 骋 张 峰 曹卫华

0 引言

仿真是一种计算机模拟技术，已成为解决复杂工程计算问题的有效途径，在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、国防军工、科学研究等各个领域广泛应用[1]。目前，仿真技术在航空维修企业中应用化程度较低，多数停留在初级阶段。随着战训强度的持续提升，装备维修深度和难度的增加，以及新产品试修攻关，急需应用仿真技术指导和验证航空产品的维修。进行容差容限研究，分析和验证结构强度的可靠性，预测故障发展趋势，并验证采取有效预防措施和指导系统故障的快速定位，确保航空产品全寿命保障故障失效可控。本文总结仿真技术在航空装备维修中应用类型，结合企业仿真体系成熟度模型阐述目前仿真应用现状，并对航空维修仿真应用实验室的建设内容、原则、运行机制进行简述，为仿真应用实验室的建立提供参考。

1 航空维修企业仿真应用需求现状分析

1.1 航空维修仿真应用体系建设现状

仿真体系是企业单位建立仿真能力的一套方法论体系，是仿真应用中对组织、人员、流程、规范、技术、设备等要素进行整合的体系建设，反映的是企业仿真应用成熟关系，分为五个级别建设，分别是采纳级、重复级、预测级、驱动级和引领级[2]。

1.1.1 采纳级

该等级为仿真体系建设第一级，主要特征是工程应用中开始意识到仿真的价值，部分人员根据个人能力在技术工作中采用仿真技术和手段进行一定的产品分析工作，仿真结果受到人员的经验、水平的制约，可信度待确认。航空维修企业多数处于该等级，甚至有的还未达到，没有建立相应的专业仿真组织。

1.1.2 重量级

这一级是典型的中国企业所处的级别，该等级可以满足大部分企业的仿真刚需。该等级典型特征是企业仿真具有一定的基础，对仿真的原理和方法已经掌握，开始组建专业的仿真团队，对仿真工具的使用不再是问题，甚至可以完成复杂的仿真分析，开始思考仿真效能，对仿真的规范和标准已经有所认识。目前航空维修企业很少完成该等级标准。

1.1.3 预测级

属于深层次仿真应用等级，利用仿真计算预测产品的功能和性能，替代部分设计开发功能，特别是维修领域可以验证设计，在产品使用寿命和功能的趋势性分析方面可替代大部分实物试验，具有指导性依据。这个阶段，专业的仿真组织（实验室）开始出现，部门级仿真平台开始建立，同时企业已经建立了仿真规范与标准，并运行良好，目前基本没有航空维修企业完成该等级建设。

1.1.4 驱动级

该等级企业仿真组织体系已经完整建成，并且成熟使用仿真技术指导产品的设计、研发、修理改进过程；仿真技术管理也成为企业技术管理的一部分，具有规范化和标准化的工作流程；仿真软硬件的规划较为完备、科学、高效；综合仿真应用技术平台已经成为企业技术工作的主要应用平台。

1.1.5 引领级

该等级典型特征是仿真体系成为企业特色的技术能力建设一部分，为企业综合竞争力的要点。仿真技术成为企业级技术研究开发平台的主体，注重仿真人才的培养和组织的建设，仿真管理的规范与标准已经成为一种制度文化；企业的仿真装备的建设已经走向云端，形成多学科综合与协同仿真，为企业技术研发平台的主体。

1.2 航空维修急需仿真应用助力

目前在维修应用中只有少部分人员意识到仿真分析的价值，开始学习使用仿真技术和手段开展一定的分析工作，但没有系统的掌握有关知识和方法论，仿真真实性全靠个人技能和推算，专业人才、软硬件系统均处于稀缺状态。特别是航空维修企业中，积累的大量故障数据库资源没有得到有效利用和分析，航空维修仿真应用还处于初级水平，多数仅具备简单零部件的强度力学分析能力，无法满足航空产品和系统复杂故障排除、修理工艺改进、科研攻关等需求。

新型装备在试修科研攻关过程中，亦需要应用仿真技术验证试修技术标准、试修工艺质量，模拟解决修理科研难题和解决试修故障。通过建立航空维修仿真应用研究能力，整合设计制造和维修故障数据库相关资源，将仿真分析与修理研发、故障研究等工作紧密结合，通过有限元分析软件系统，对单元类型、有限元分析理论及各类有限元方程解法的整合与优化，使修理技术问题的解决与有限元分析紧密融合，培养专业的仿真分析团队，推动仿真技术在航空维修领域的应用，从仿真数据模型中发现问题，快速解决现场故障、修理科研攻关难题，优化修理工艺，提升航修工厂核心修理能力建设。

1.3 产品技术问题处理需要仿真技术

目前，客户对于复杂故障的分析与改进要求不断提高，不仅要有图有数据的分析故障的机理，还需要对改进措施进行验证分析。一般情况下，实物验证不仅浪费大量的人力、物力和时间，试验风险亦很难预测，改进工艺措施难以控制在合理的标准。大量应用仿真分析，确定故障的机理，模拟产品故障原理，并为研究制定改进措施提供参考依据十分迫切。

2 航空装备维修中仿真技术的应用类型

航空装备维修是一个多工程专业理论和技术的综合应用，总结仿真技术在航空维修领域的应用主要体现在以下四个方面[3]。

2.1 虚拟装配仿真

采用3D 扫描建模或者CAE 软件建模，进行虚拟装配检验产品组装过程干涉情况，研究设计科学合理的修理工艺和修理路线；另一方面结合AR 技术，可以对修理人员进行产品修理培训，进行虚拟装配教学或对虚拟产品实施虚拟维修，实现修理能力的提升，提高修理质量和效率。

2.2 系统建模仿真

应用系统仿真软件，如开展飞机液压/机械系统建模、仿真及控制分析，为液压系统动力控制、机械性能和控制系统问题提供仿真环境和解决方案。通过系统建模仿真实验，研究飞机液压、机械系统的各种工作状况，确定最佳参数匹配，并可在研究飞机液压系统故障时，应用系统建模仿真实现故障的快速定位。

系统建模仿真可用于教学训练，提高修理人员的系统知识，尤其是处理各种故障或特情的能力；还可以通过仿真飞机部分或子系统的工作原理、运动过程，为研究系统的静动态特性、故障模式、故障分布规律、维修方法提供理论依据[4]。

2.3 故障机理分析

飞机在全寿命服役过程中，特别是机械附件或结构件都会随着服役使用时间，产生不同程度的损伤/故障，通过仿真分析，对损伤部位的受力、疲劳或寿命研究，确定其损伤机理，对提高修理质量，排除故障和改进修理工艺等都具有现实的指导意义。如：断裂故障，通过有限元仿真，可以确定是疲劳断裂的机理，进而进行改进研究，解决故障重复发生的问题。

2.4 容差容限分析

通过产品维修过程中建立的故障数据库，结合仿真分析建立产品典型性能退化趋势和退化模型，研究分析产品技术性能退化对产品功能和寿命的影响，评价长期使用过程中的健康度，给产品容差容限修理方式提供理论支持。如：通过几次大修相同部位的数据变化，模拟下次大修时数据变化趋势，根据变化趋势仿真分析性能情况，研究确定容差容限标准。

3 航空维修仿真应用实验室的建设与创新

3.1 建设内容

坚持“开放、集成、革新”理念，以支撑航空维修发展战略规划和解决装备修理瓶颈难题为目标，将航空维修仿真应用研究能力建设作为维修单位核心技术能力加快推进，可以部分科研项目为试点，聚焦有限元仿真技术、虚拟装配仿真技术、动力系统建模仿真技术、容差容限可靠性仿真等方面建设具有航空修理特色的仿真分析实验室，打造专业仿真分析应用团队，为航空维修提供一站式技术支撑服务。

3.1.1 构建航空修理特色的仿真分析实验室

紧跟航空维修发展需求，建立具有航空维修特点的仿真应用实验室，在航空维修领域推进仿真技术的应用，为维修过程提供指导。实验室建设初步规划包含4 个模块：力学仿真分析模块，系统建模仿真分析模块，虚拟装配仿真分析模块，容差容限可靠性仿真分析模块。

（1）力学仿真分析模块。主要为有限元分析，包括结构力学分析、模态振动分析、疲劳耐久分析、流固耦合分析、拓扑优化分析五个方向，可以满足航空维修结构方向研究刚性需求，也是目前最紧迫要实现的模块。

（2）系统建模仿真分析模块。主要对航空机械液压（气压）系统仿真进行故障定位和原理教学。

（3）虚拟装配仿真分析模块。运用三维扫描设备或者CAE软件进行建模预装配，验证零件的干涉情况，可以结合AR 技术进行虚拟装配教学。

（4）容差容限可靠性仿真分析模块。围绕航空产品修理特色，结合故障（超差）信息验证产品的使用可靠性，并对发展趋势进行预测，其分析方向主要为配合间隙与密封性能关系仿真分析（液压密封研究）和磨损趋势与寿命预测仿真分析（数据综合分析）。

3.1.2 打造稳定的仿真分析应用专家队伍

随着航空维修技术研究的不断深入，仿真技术也需要多学科的综合，单一学科在解决复杂故障问题或技术研发攻关上不能满足要求。目前市场上仿真应用软件众多，且多学科仿真技术日趋成熟，仿真工作也趋向于团队工作，提高仿真效率和真实性，保证仿真质量。组建仿真团队应思考拥有以下几点能力人员：

（1）模型简化能力。需要将复杂的实物模型简化为仿真模型，同时也应考虑仿真条件的简化技能保证仿真质量也能减少计算量，简化过程要综合思考简化的正确性。

（2）软件建模能力。将简化后的模型构建处理，主要包括二维、三维建模能力。

（3）网格划分及优化能力。通过模型优化和网格处理，保证仿真结果收敛。

（4）试验设计及数据处理能力。合理的试验设计能够减少仿真成本和计算周期，有效的数据处理能减小误差。

（5）计算机维护。同时需要计算机的维护能力，保证计算机系统安全稳定的运行。

3.1.3 建立航空维修工程仿真应用体系

建立航空维修工程仿真应用体系解决在工程技术活动中仿真软件和方法的选用的随意、仿真流程缺乏规范与标准、仿真协同性弱和使用效果差的局面。建立航空维修工程仿真应用体系主要完成仿真组织的设计、仿真装备的规划和建设、仿真规范和标准的建立以及仿真流程的优化和改进[2]。

3.2 建设原则

3.2.1 基于多学科综合分析过程

航空维修领域是一个多学科，多基础专业的综合应用，在仿真过程分析及结果分析方面，需要多学科综合分析，如材料学、材料力学、结构力学、机械加工学、液压与密封、控制理论等。

在仿真技术方面也需要先多学科综合仿真，需要将零件参数建模（或3D 扫描建模），CAD 模型检查、CAE 仿真分析按照某种流程高效集中在一起。同时兼顾仿真数据和流程的管理，这也是企业目前建立多学科综合仿真平台的方向。

3.2.2 面向协同仿真的过程

企业建立协同的目标是通过建设仿真应用实验室，搭建一个集成多学科综合的CAE 仿真流程。以协同仿真管理为核心，组建一个仿真团队，将所有与仿真工作相关的人、技术、数据在这个统一环境中协同工作，各类数据之间的交流，传递和共享皆可在这个环境中完成。将企业原本离散的CAE 技术、流程、数据和知识综合起来，形成协同优势，使仿真作用最大化，充分发挥人员、工具、流程与数据的潜能，完成以前无法完成的任务，最大化地支持复杂产品的创新与优化，提升企业的竞争力[5]。

3.2.3 面向实验实训的教学

产品的结构仿真分析不仅从机理上验证了设计的合理性，也给教学者综合直观的解释工作原理、结构组成、失效模式，并通过仿真验证给维修提供指导。系统仿真方面可以方便了解该系统或子系统产品的组成，运行控制原理，各产品故障对系统的影响等，有利于系统故障的排除定位。虚拟装配方面利用AR技术可以对复杂产品进行虚拟装配演练，减少实物教学风险和教学事件。

3.3 运行机制

3.3.1 管理模式

实验室属于开放式、标准化、项目制管理模式。开放式主要从安全管理、设施管理、卫生管理和软硬件维护方面构建，特别是在软硬件方面要加强对仿真数据的管理；标准化要求管理流程标准化、工作业务标准化；项目制主要针对实验室的工作业务，以项目制形式开展，针对仿真需求，通过项目管理制定过程管控。

3.3.2 业务流程

项目启动：根据项目制管理要求，业务以客户需求为主启动，由实验室主任根据客户需求初步进行评估，同时根据实际情况确定是否可以完成。确定可以接受后，与客户签订合同。

项目计划：实验室主任与副主任需求根据实验室能力建设情况，协调内部人员的协助，制定工作计划。

项目实施及过程控制：该阶段主要由实验室项目成员根据制定的计划节点进行各种任务分工，实验室主任根据实际情况做好协调。

项目收尾：做好输出性材料的制定，完成仿真分析的校对，出具分析报告，完成合同结题。

后续维护：对客户其他要求进行完善。

3.3.3 输出结果形式

针对力学，系统建模，容差容限可靠性验证等仿真，输出仿真分析报告；虚拟装配仿真在输出报告的同时，可以根据客户的要求输出短视频或其他事物。

3.3.4 仿真结果的评审与归档

仿真只是作为产品检验的手段对产品性能进行评估或指导物理实验，不能完全取代物理实验。仿真分析的结果受到不同工程师经验、水平和所采用的分析流程的制约，影响了仿真分析结果的可信度，实验室建设阶段需要加快专业仿真人员的培训，同时仿真分析结果需要专家人员审核，保证实验结果的相对可信。仿真结果以电子文档实行存档。

3.3.5 经费保障

需要企业提供经费支持，包括软硬件的建设，人员的培训等，同时可以根据实验室的发展运营情况确定保障经费。

4 结论

本文总结了仿真技术在航空维修领域的应用现状以及应用类型；阐述构建航空修理实验室的三个内容，即构建航修特色的仿真分析实验室，打造稳定的仿真分析应用专家队伍，建立航空维修工程仿真应用体系；以及阐述构建仿真应用实验室的建设原则包括面向协同仿真的过程，面向协同仿真的过程，面向实验实训的教学。建立仿真应用实验室不能急于求成，企业应清醒地认识自身现状，选择恰当的目标，分阶段逐步实施。