飛機研制中的裝配過(guò)程仿真

2013-06-24  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線(xiàn)

近年來(lái),國內外對飛機產(chǎn)品數字化裝配技術(shù)的研究主要集中在裝配分析與仿真、裝配數據管理、裝配工裝夾具設計制造以及自動(dòng)化裝配等方面。國際上以飛機和汽車(chē)為代表的大型復雜產(chǎn)品研制企業(yè)都已將數字化裝配技術(shù)應用于生產(chǎn)中,取得了顯著(zhù)的效益,無(wú)論是B o e i n g 還是Airbus 目前基本上已實(shí)現了數字化裝配。如Airbus 系列飛機壁板裝配采用了以數控鉆鉚機為中心的柔性裝配系統,從鉚接過(guò)程到裝配管理均實(shí)現了數字化控制。資料統計得出:典型部件裝配周期縮短60%、飛機裝配周期縮短10%以上、裝配工藝設計周期縮短30%~ 50%、裝配返工率減少50%、裝配成本減少20%~ 30%,同時(shí)大大提高飛機裝配質(zhì)量,極大限度地滿(mǎn)足了客戶(hù)要求。

裝配過(guò)程仿真是數字化裝配的基礎

1 數字化飛機裝配與裝配過(guò)程仿真

飛機產(chǎn)品的特點(diǎn)就是零件數量巨大、形狀復雜、剛度低、產(chǎn)品結構復雜、配合關(guān)系復雜、材料種類(lèi)多、工藝方法多,協(xié)調關(guān)系復雜、準確度要求高、尺寸鏈復雜以及工藝環(huán)節影響大。以往依靠工藝人員的經(jīng)驗,經(jīng)常從零件、乃至工裝開(kāi)始就出現超差,最終累積反映在裝配階段,可能發(fā)生強迫裝配,裝配車(chē)間的工藝人員80%的時(shí)間用于處理超差,從而影響飛機的質(zhì)量、性能和壽命。因此,應用裝配過(guò)程仿真主要有以下目的:首先使得各種不協(xié)調問(wèn)題暴露在真實(shí)的裝配開(kāi)始之前并得到解決;其次通過(guò)裝配過(guò)程的仿真及其優(yōu)化后,輸出應用于裝配生產(chǎn)現場(chǎng)的技術(shù)文檔和培訓文檔;第三為自動(dòng)鉆鉚等數字化裝配手段和工具的應用提供技術(shù)支撐。

飛機裝配是一個(gè)復雜的過(guò)程,一般用于指導裝配生產(chǎn)的工藝文件的最終形成是根據產(chǎn)品的結構特征、企業(yè)的生產(chǎn)組織方式、人力與設備的情況、裝配準確度的要求、裝配基準及定位方法、裝配連接技術(shù)要求、設計功能的特殊要求、尺寸及剛度要求等因素,對整個(gè)裝配過(guò)程和企業(yè)資源綜合優(yōu)化的結果,這些都充分體現了仿真的復雜性及必要性。在進(jìn)行裝配過(guò)程仿真時(shí),必須進(jìn)行人體建模、飛機虛擬樣機建模、設備以及工裝工具建模、人機工程虛擬環(huán)境建模、仿真過(guò)程建模等,必須進(jìn)行人機工效分析,進(jìn)行過(guò)程仿真和優(yōu)化,最后生成相關(guān)工藝文件。

2 三維裝配工藝規劃和過(guò)程仿真

三維裝配工藝規劃和過(guò)程仿真是在計算機提供的虛擬空間內,融入知識管理的概念,對產(chǎn)品零組件、工裝、工藝過(guò)程、工具等用數字化模型表示的全部行為,為人們提供一個(gè)從產(chǎn)品零件開(kāi)始到完成部件裝配全過(guò)程的三維可視化及交互的虛擬現實(shí)環(huán)境。信息技術(shù)的高速發(fā)展為三維裝配工藝規劃和裝配過(guò)程仿真提供了有效的手段和技術(shù)支撐。在飛機研制中通過(guò)裝配過(guò)程仿真可以提前暴露并解決實(shí)際裝配過(guò)程中的設計、工藝、制造等問(wèn)題,采用裝配過(guò)程仿真可以有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品研制風(fēng)險、縮短裝配周期、降低研制成本。主要表現在:

· 在3D 環(huán)境中模擬裝配流程,以避免在裝配現場(chǎng)發(fā)生各種預料之外的問(wèn)題。

· 在設計的早期階段,就考慮產(chǎn)品的工藝性、裝配性,可以有效地減少設計更改,降低研制成本。

· 同步進(jìn)行產(chǎn)品設計、工藝設計和工裝設計,并在產(chǎn)品設計階段完成所有工藝設計和制造流程的模擬與優(yōu)化,真正實(shí)現面向制造的設計。

·在PPR(Product、Process 和Resource)的集成環(huán)境中,可以暴露工裝設計和制造中的問(wèn)題,優(yōu)化工裝的設計。

· 減少(或消除)制造現場(chǎng)的返工與工程更改,以便提高產(chǎn)品質(zhì)量。

在構型管理和工程更改的控制下,統一管理產(chǎn)品(Product)、工藝過(guò)程(Process)和資源(Resource)等信息、以及這些信息對象之間的相互關(guān)系,為設計、工藝、制造、生產(chǎn)營(yíng)運、與售后服務(wù)等之間的緊密聯(lián)系提供了一個(gè)共同的環(huán)境,整合并管理從概念設計到維修報廢之間的產(chǎn)品全生命周期。

3 三維裝配工藝規劃和過(guò)程模擬仿真的核心

裝配過(guò)程三維規劃和過(guò)程仿真的核心是產(chǎn)品、工藝過(guò)程和資源三者的數據交互技術(shù),也是同步支持產(chǎn)品設計、制造流程規劃和工藝設計、并綜合進(jìn)行仿真驗證的技術(shù)基礎。獨特的PPR 數據庫環(huán)境支持飛機復雜的構型管理與數據有效性控制規則,支持工程更改、流程規劃,資源規劃和工藝設計,并保持產(chǎn)品工程信息之間的關(guān)聯(lián)性。這種數據交互技術(shù)提供現實(shí)可靠的方法,通過(guò)產(chǎn)品構型管理和數據有效性控制,直接管理產(chǎn)品、流程、資源等信息知識對象以及這些對象之間的關(guān)聯(lián)。由于在統一的集約化數據庫中可以直接定義和管理這些關(guān)聯(lián),每個(gè)工程師可以直接地觀(guān)察到某一類(lèi)對象的變更會(huì )對其它對象帶來(lái)的影響和沖擊。例如:若變更某個(gè)零件設計,哪個(gè)制造計劃或工藝會(huì )受影響等等??梢猿浞掷肞 P R 對象之間的豐富關(guān)聯(lián),促使其中的任一對象均能盡早盡快進(jìn)行可能的優(yōu)化。

產(chǎn)品工藝過(guò)程和資源的數據交互支持捕捉,積累、管理并重復利用知識庫案例,包括標準的設計規則、制造流程與工藝規格、資源限制、標準工時(shí)分析等等,并以知識工程為基礎,提供定義和管理這些對象間相互關(guān)聯(lián)的能力和環(huán)境,使得飛機研制中設計、工藝、生產(chǎn)制造、與企業(yè)營(yíng)運等組織之間得到優(yōu)化整合。

在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內高效正確地管理各種并行的設計變更與工程更改,將多個(gè)業(yè)務(wù)系統之間的接口置放在以唯一數據源為基礎的架構內,有效運用以唯一數據源為基礎的應用程序來(lái)支持裝配流程規劃和工藝設計等業(yè)務(wù),能夠在產(chǎn)品全生命周期中快速響應設計變更和工程更改的要求,并確保工程信息和技術(shù)資料的完整性。

應用以唯一數據源為基礎的產(chǎn)品流程資源數據庫,針對各個(gè)不同的裝配方案進(jìn)行離散事件仿真,能夠針對多產(chǎn)品混產(chǎn)情況分析評估物料流、生產(chǎn)效率和資源利用率。利用P P R數據庫,能夠進(jìn)一步分析流程規劃、資源配置與優(yōu)先需求,以便平衡制造設施內的工作負荷,并提高人力資源使用率。

飛機裝配仿真技術(shù)的關(guān)鍵主要可歸納為下列5 個(gè)方面:

(1)裝配仿真環(huán)境的構建。仿真環(huán)境的描述與管理,裝配動(dòng)作與感覺(jué)信息間的相互關(guān)系,感覺(jué)信息的綜合方法以及輸入、輸出的驅動(dòng)規則等。

(2)知識驅動(dòng)下約束關(guān)系的自動(dòng)生成和識別。在仿真環(huán)境中對裝配的零件賦予機械、物理特性,并由此形成裝配過(guò)程的作用力;使微觀(guān)和瞬態(tài)的分析數據在虛擬空間中展現為可視的宏觀(guān)和動(dòng)作過(guò)程。

(3)知識驅動(dòng)的裝配規劃技術(shù)。裝配規劃就是尋求一條最優(yōu)的零件裝配順序序列,重點(diǎn)解決如何更形象地表現裝配規劃過(guò)程中信息的動(dòng)態(tài)流動(dòng)及其可視化;如何在生成裝配規劃過(guò)程中通過(guò)人機交互加入知識管理和融入人的智能;如何基于知識檢查裝配干涉和配合力分析。

(4)人的知識和技巧的映射。為了使知識和智能融入裝配規劃的生成,需要研究人體模型在虛擬環(huán)境中的映射,正確檢測和處理人的裝配動(dòng)作信號。

(5)裝配仿真系統的建立。虛擬裝配系統由裝配動(dòng)作輸入、虛擬裝配環(huán)境、裝配過(guò)程和判斷裝配正確性的感覺(jué)信息輸出等四個(gè)子系統組成,研究其信息的集成以完成虛擬裝配全過(guò)程的實(shí)施。

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應用案例:某機翼中央翼組件裝配工藝流程仿真

傳統的2 維工藝設計模式是由工藝設計人員在頭腦中抽象構建3維裝配空間、設計裝配順序,最終用平面方式表述;設計質(zhì)量完全取決于工藝設計人員的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗。操作人員需要根據工藝設計人員編發(fā)的文件及2 維工程圖紙在大腦中再次構建3 維裝配空間,理解裝配順序、裝配要求,這對生產(chǎn)操作人員的素質(zhì)要求較高。

另一方面,現有C A P P 基于2維設計模式開(kāi)發(fā),不能充分利用上游產(chǎn)品的3 維C A D 數據,且對制造資源及裝配工藝知識的描述是2 維的。因此難以保證工藝數據的準確性,工藝設計工作量大、效率低、周期長(cháng),難以實(shí)現工藝設計的繼承性、規范性、標準化和最優(yōu)化。

為了探索裝配工藝三維數字化設計基本思路及工作流程,我們以某飛機中央翼為例,應用基于PPRHUB和知識的DELMIA 軟件進(jìn)行了裝配過(guò)程的工藝設計、優(yōu)化和仿真。

裝配過(guò)程仿真在工程設計與產(chǎn)品制造之間提供了一個(gè)可視化的工藝設計環(huán)境,變過(guò)去工藝人員在2 維環(huán)境進(jìn)行工藝工作為在3 維可視環(huán)境下真正的裝配工藝流程設計,工藝人員在這個(gè)工作平臺能夠模擬整個(gè)裝配過(guò)程,可以分析零組件在裝配過(guò)程中任何一個(gè)具體的姿態(tài),以及工裝定位器、夾緊裝置的使用等。裝配過(guò)程可制作成A V I 文件,置于生產(chǎn)現場(chǎng)指導生產(chǎn)和對工人進(jìn)行培訓。

通過(guò)裝配過(guò)程仿真,發(fā)現中央翼產(chǎn)品設計和工裝設計需要進(jìn)一步完善的地方,主要問(wèn)題是:

(1)中央翼總裝工作梯立柱位置不合理。操作人員是雙手端著(zhù)工具盒上到型架上,而圖示立柱恰好擋住了操作人員上到型架上的路徑。

(2)操作人員從地面上到型架上,型架地板面距地面距離約500m m,以操作人員平均身高1720m m 分析,其右腿抬得過(guò)高,此時(shí)人會(huì )失其重心,需要增設一級臺階。

(3)操作人員行走在中央翼總裝型架上,不安全,存有安全隱患。工裝設計應在工裝上鋪設地板,便于操作人員行走。

(4)操作人員要拿著(zhù)工具鉆進(jìn)中央翼里工作,中央翼下壁板距型架地板約1350mm,操作人員很難鉆進(jìn)中央翼里工作。在此處工裝對稱(chēng)兩側分別增設一個(gè)高800mm 左右活動(dòng)梯,便于操作人員鉆進(jìn)中央翼里工作。

(5)操作人員工作姿勢下,右腿與上部軀體夾角106.532°,接近極限113°,工作環(huán)境極為惡劣。應在中央翼下壁板鋪厚海綿墊,改善工作環(huán)境,防止操作人員與結構直接接觸,造成身體不適。

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結束語(yǔ)

計算機仿真技術(shù)不僅可以有效地應用于飛機研制中,也可以有效地應用于制造工程與工藝設計、以模擬仿真為基礎的驗證優(yōu)化過(guò)程、工藝指令的編制過(guò)程和制造工人的培訓過(guò)程,讓一個(gè)真正的無(wú)紙化信息和知識的應用變成現實(shí)。同時(shí),也可以延伸到售后服務(wù)與維護修理作業(yè)的仿真驗證過(guò)程等。

有效地運用計算機仿真技術(shù),可以減少對物理樣機的需求,降低成本,節省時(shí)間。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程的后期結合最新的設計更改,來(lái)進(jìn)行工裝工具的設計制造,消除產(chǎn)品設計變更所帶來(lái)的昂貴的工具工裝的更改。在設計的早期,按照制造裝配與維修工作的可操作性要求,進(jìn)行設計優(yōu)化和變更,因而能夠減少對特殊工具工裝的需求。

目前我國航空企業(yè)還都維持在傳統的制造流程上,飛機裝配從部件鉚接過(guò)程到整機大部件對接及裝配基本上還采用手工作業(yè)或人工控制。隨著(zhù)數字化設計、數字化制造、數字化管理的全面推廣應用,航空企業(yè)迫切需要提高數字化裝配水平,縮短裝配周期,以滿(mǎn)足型號快速研制的需要。(end)


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