隨著飛機數字化設計制造技術的快速發展，虛擬裝配仿真技術已廣泛應用于航空制造業，該技術的應用明顯加快了裝配工藝方案制定和實施的速度，有利于優化裝配工藝方案，從而有效保證飛機的裝配質量。在并行工程中，虛擬裝配仿真技術的應用，能在設計階段發現問題，有效地減少設計錯誤、縮短研制周期、降低風險、節約成本。飛機裝配過程的虛擬仿真，涉及到大量的飛機零部件模型、裝配型架(夾具)模型、工具模型和人機工程中的人體模型等，故裝配仿真場景包含的三維數模較多，且參與構建裝配場景的原始模型通常存在大量的冗余數據，導致參與飛機裝配過程虛擬仿真的三維模型數據過大，對用于裝配仿真的計算機硬件設備提出了極高的要求。

三維模型的輕量化技術得到了國內外很多專家學者及相關軟件供應商的重視并進行了研究。但因都需要將產品三維模型定義為特定的三維模型輕量化格式，難以在飛機裝配過程虛擬仿真軟件Delmia中實際應用。為此，本文結合飛機裝配過程虛擬仿真的特點，提出了一種基于輕量化模型的裝配過程虛擬仿真方法，大大降低了飛機裝配過程虛擬仿真對計算機硬件的性能要求。

飛機裝配過程的虛擬仿真內容

飛機結構復雜、裝配層次較多、裝配流程較長，裝配過程中涉及大量的型架、工具等。
由于飛機裝配固有的復雜性，依靠傳統的計算機手段很難在設計的早期階段就對裝配和維護有關的問題做出準確分析，這些問題往往只會在產品開發的后期或最終產品試制過程中，甚至在投人使用一段時間后才能暴露出來。虛擬裝配技術正是虛擬現實技術在產品設計中的應用，其目的不僅是為了在產品設計階段發現產品裝配過程存在的問題，而且虛擬裝配技術允許裝配工程師在虛擬環境下生成產品的裝配工藝計劃，并且對產品可裝配性進行驗證。

利用虛擬裝配，可以驗證裝配設計和操作的正確與否，以便及早地發現裝配中的問題，對模型進行修改，并通過可視化顯示裝配過程，進行裝配工藝規劃、現場布局、裝配操作模擬等。

機裝配過程虛擬仿真的主要內容包括：

(1)預裝配分析。預裝配分析是產品裝配完成后，檢查產品各零部件間有無干涉現象存在及產品樣機功能是否符合設計要求，及時發現零部件間的干涉問題及運動機構設計不合理之處，以更改產品設計。某型飛機中機身預裝配仿真結果，如圖1所示。

圖1 中機身預裝配分析

(2)裝配序列及裝配路徑規劃。在虛擬裝配仿真環境中可以動態直觀地顯示其裝配序列和裝配路徑等。通過初步的觀察，可實時發現裝配過程中各種明顯的工件、工裝和工具等環境元素間的空間干涉和碰撞情況，以便及時進行調整，得到較為合理的裝配序列和裝配路徑。圖2為某型飛機平尾裝配序列及裝配路徑仿真結果。

    

圖2 平尾裝配序列及裝配路徑規劃

(3)干涉檢查和分析。通過整體干涉檢查、可拆卸性檢查、約束分析、自由度分析和精度分析等各種分析工具，直觀或定量化地考察工件裝配的約束狀態、細節定義以及空間準確度等問題。其中，干涉檢測分為靜態、動態和運動等3類方式，利用這些方式對裝配路徑上的障礙實施自動鑒別，通過計算工件的運動包絡體并判斷該包絡體與環境元素間是否相交來確定工件在裝卸中有無干涉問題等。圖3為某型飛機導管裝配干涉檢查仿真結果。 

圖3 導管裝配干涉檢查

(4)人機工程仿真。對裝配過程中影響工人作業的空間開敞性、姿態舒適性和勞動強度等諸多因素進行工藝評估和優化。圖4為飛機壁板裝配人機工程仿真結果。

圖4 人機工程仿真

裝配過程模型的輕量化技術裝配過程模型的輕量化技術主要包括多量級輕量化模型生成和復雜裝配場景的分層級拆分。首先，按仿真過程對數模信息量的要求不同，運用多量級輕量化模型技術生成滿足不同要求的多量級輕量化模型，達到對裝配場景進行輕量化的目的；其次，運用分層級裝配場景拆分技術將裝配仿真過程劃分為多個簡單裝配場景，降低仿真裝配場景對硬件的要求；最后，運用變分辨率技術在創建、執行裝配仿真任務的時候，通過動態載入載出模型細節，只對當前活動零部件模型和與其可能存在干涉的零部件模型詳細顯示，其他零部件模型則粗略顯示，達到降低對計算機硬件性能的過度依賴，提高裝配仿真的效率。

1 多量級輕量化模型生成

在進行飛機虛擬裝配仿真過程中，各零部件的功能作用不同，對其模型信息的要求也不同，可以將參與裝配的模型劃分為原始模型、高級輕量化模型、中級輕量化模型、低級輕量化模型4個量級。

(1)原始模型是指包含零部件完整信息的模型，如進行產品預裝配分析時，僅進行靜態干涉檢查，可采用原始模型。

(2)高級輕量化模型為包含模型實體信息及輔助實體特征的輕量化模型，如活動零部件數模，需要對其創建一定的裝配路徑，需要包含一些路徑規劃所必需的輔助實體特征，故需采用包含輔助實體特征的輕量化模型。

(3)中級輕量化模型為僅包含模型實體信息的輕量化模型，如僅僅作為裝配環境的零部件數模，只用于檢查與活動零部件是否存在干涉，可采用僅包含實體信息的輕量化模型。

(4)低級輕量化模型為簡化內部結構，僅保留外部輪廓實體信息的零部件數模，如在部件裝配和整體裝配時，組件內部的結構對裝配仿真過程影響不大，裝配仿真過程僅需要組件外形輪廓實體信息，故可以對其內部結構進行相應簡化，去除內部零部件的實體信息，僅保留零部件的裝配信息。

2 復雜裝配場景的分層級拆分

分層級裝配場景的實質是，將一個復雜裝配場景拆分為幾個簡單的裝配場景，然后再進行裝配仿真，分散復雜裝配場景對計算機硬件性能的高要求。復雜裝配場景的拆分原則有：

(1)按產品裝配層次拆分。產品的裝配層次可分為：組件裝配；段、部件裝配；產品整體裝配。對應地，裝配場景可劃分為：組件裝配場景；段部件裝配場景；產品整體裝配場景。組件裝配場景完成零件到組件的裝配仿真，段部件裝配場景完成組合件和零件到段部件的裝配仿真，產品整體裝配場景完成段部件、組合件及零件到產品整體的裝配仿真。

(2)按產品裝配工位拆分。結合生產制造單位的布局情況，制定裝配工藝方案。復雜裝配場景依據裝配工藝方案，依據裝配工位拆分為不同的裝配場景，再進行裝配仿真。由于生成的裝配仿真結果與生產實際緊密結合，可基本無需編輯嵌入三維AO中，指導現場生產，提高現場裝配效率。

基于輕量化模型的虛擬裝配仿真

結合飛機虛擬裝配仿真應用實踐，本文提出了一種基于輕量化模型的裝配過程虛擬仿真方法。首先對參與裝配的零部件進行多量級模型生成，得到4個不同量級的模型，依次分別為原始模型、高級輕量化模型、中級輕量化模型、低級輕量化模型。圖5為某型飛機水平尾翼外伸段的高級輕量化模型、中級輕量化模型及低級輕量化模型。高級輕量化模型包含水平尾翼外伸段的實體信息，并包含一些輔助特征信息，如圖5(a)與中央盒段進行裝配的特征信息；中級輕量化模型僅包含水平尾翼外伸段的實體信息；低級輕量化模型則去除水平尾翼外伸段內部肋等零件信息，僅包含外形零件的裝配信息。處理后的水平尾翼的部分零部件多量級輕量化模型情況如表1所示。

圖5 水平尾翼外伸段輕量化模型

表1 水平尾翼部分零部件輕量化模型

然后進行裝配序列規劃。以某型飛機水平尾翼的裝配為例，可對水平尾翼進行裝配場景的劃分，將水平尾翼的裝配場景劃分為4級裝配場景。一級裝配場景：水平安定面與左右升降舵裝配為水平尾翼；二級裝配場景：中央盒段與左右外伸段裝配為水平安定面；三級裝配場景：前梁、后梁、前緣、后緣艙等裝配為外伸段；四級裝配場景：緣條、腹板、口蓋等零件裝配為前后梁，蒙皮、長桁、角片等零件裝配上下壁板等。

在劃分裝配場景后，低層次裝配場景完成的裝配組件，以低級輕量化模型形式組建高一層次的裝配場景，進行高一層次的裝配。如在四級裝配場景中完成裝配的翼尖罩，以低級輕量化模型形式來組建三級裝配場景，進行外伸段的裝配；外伸段完成裝配后，也以低級輕量化模型組建二級裝配場景，進行水平安定面的裝配等。

最后進行裝配路徑規劃，在進行裝配路徑規劃時需同步進行干涉檢查分析及人機工程仿真分析，以保證裝配路徑的正確性。在干涉檢查分析及人機工程仿真分析時，應根據實際情況，采用優化策略，動態載人相應量級的輕量化模型，提高裝配仿真效率。通過活動零部件包圍盒算法，根據活動零部件裝配路徑，搜索可能與活動零部件發生干涉的模型，載人相應的輕量化模型，進行干涉檢查。圖6為水平尾翼外伸段裝配仿真模型，在進行水平尾翼外伸段裝配工作某一階段，后緣艙為活動部件，采用高級輕量化模型，其裝配過程中可能與升降舵鉸鏈支架發生干涉，升降舵鉸鏈支架采用中級輕量化模型。

圖6 水平尾翼外伸段裝配仿真

結束語

虛擬裝配仿真技術的應用顯著加快了飛機裝配工藝方案制定和實施的速度，有利于優化裝配工藝方案，從而有效保證了飛機的裝配質量。輕量化技術是提高飛機虛擬裝配仿真效率的有效手段，本文結合飛機虛擬裝配應用實踐，從分層級裝配場景、多量級輕量化模型和變分辨率裝配仿真3方面對飛機虛擬裝配過程進行處理，提出了基于輕量化模型的虛擬裝配技術，降低了飛機虛擬裝配仿真對計算機硬件的性能要求，提高了虛擬裝配仿真的效率。