维修性专题( 一 ) : 航空发动机维修性虚拟核查的应用实践
引言
在以往实践中，航空发动机的维修性核查工作一直根据经验或在产品样机装配后开展，一方面增加了设计经费，另一方面当遇到结构不满足维护要求时需重新设计，进而延长产品整体设计周期，极大限制了我国航空发动机的快速发展。数字样机在虚拟现实环境中做维修性核查工作已经是一种成熟有效的解决方案，可通过建立虚拟环境模拟产品维修过程，对产品可维修性进行核查分析，发现产品维修性设计中的问题，尽量做到将维修性问题封闭在设计阶段。
图 1 在虚拟环境中做航空发动机的维修性核查
一、维修性虚拟核查技术现状
随着技术的高速发展，诞生了许多虚拟现实辅助工程软件，此类软件具备强大的仿真功能，主要包括西门子的JACK 软件，达索的DELMIA 软件等。然而该类产品大多只针对于设计验证中的部分环节，单一软件无法覆盖全流程。
二、维修性虚拟核查流程
维修性虚拟核查主要包括：确定核查要求、制订核查方案、制作虚拟样机、开展虚拟仿真、判定核查结果等方面。维修性虚拟核查具体工作流程如图3 所示：
具体工作流程及内容如下
（1）确定核查对象(LRU)，明确具体的核查任务清单；
（2）根据核查任务，从产品的数据管理系统PDM中选取数字样机的三维设计模型，主要是核查对象、周围部件、相关管线、机体结构、工具设备等；
（3）根据前期准备，制订核查方案，明确核查内容；
（4）建立虚拟工作场景，制作数字样机；
（5）根据选用的具体核查方法，用虚拟仿真软件进行维修性的核查仿真；
（6）最后判定仿真结果是否满足维修性要求。若满足，给出合格结论，若不满足，需针对相应的核查内容，给出改进建议。
三、 基于VMPro做航空发动机维修性虚拟核查的工作流程
3.1确定核查要求
本文以拆卸某型航空发动机上油滤的滤芯（LRU）为例，进行开展维修性核查工作的说明（本模型非真实发动机结构，仅供应用示意参考）。如图4所示：
维修性虚拟核查可分为“静态分析”和“动态分析”两种，内容如下。
1)静态分析
没有虚拟人的运动过程，以数字样机自身间距运算和运动碰撞运算（计算在运动过程中是否有相互碰撞）为主，可以加入固定操作姿态的虚拟人来分析操作空间是否具有良好的可达性。
2)动态分析
制作虚拟样机时，由于发动机结构复杂、零件数量巨大，在模型导入时容易出现报错现象。需要应用模型轻量化技术从多量级、轻量化模型生成和复杂场景的分层级拆装两方面对模型进行处理，能够降低对计算机硬件的性能要求，提高维修性虚拟核查效率。
1)多量级轻量化模型生成
在进行发动机虚拟核查仿真过程中，各零部件的功能作用不同，对其模型信息的要求也不同，根据此可将参与仿真的模型划分为原始模型、高级轻量化模型、低级轻量化模型3个量级。
2) 复杂场景的分层级拆装分层级拆装实质是将一个复杂场景拆装为几个简单的场景，然后再进行仿真，降低了复杂场景对计算机硬件性能的要求。按照产品的装配层次，场景可分为：组件场景、产品整体场景。VMPro支持多种工作场景下CAD数据的导入，如：对于维修的工作场景，支持三维模型或场景基于OpenGL的在线读取导入，无需进行中间格式转换，并将数据保存在本地。除此之外还支持多种CAD模型数据的异构融合，导入后能够保留和显示完整结构树与特征信息，帮助快速构建逼真的维修数字样机和虚拟工作环境。
3.4开展虚拟仿真
1)静态分析
(1)间距分析及维修通道设计。计算LRU及其固定螺栓等部件与周围环境部件的最小间距，判断周边空间是否满足拆装要求。（在VMPro中可做数字样机模型的精确距离测量，显示精度可达到0.01cm）。
(2)运动碰撞分析。分析LRU在拆装的过程中，是否与其它部件发生碰撞，判断周边空间是否满足拆装要求。
(3)虚拟人姿态分析。设置虚拟人的操作姿态，生成可视区域和可达区域包络面，判断LRU 及其固定螺栓等部件是否可视或可达，是否有足够的操作空间。
2)动态分析
通过制作虚拟人的维修演示过程来仿真零件/附件的拆装，并在仿真过程中检验拆装工艺是否合理、工具是否适用、是否有足够的操作空间，以及虚拟人运动的舒适度评价分析。
3.5判定核查结果
以VMPro软件模块为基础，包括必要的专业数据库如中国标准人体库、维修动作库、维修工具库等，既可做桌面式的可维修性评价，又可结合虚拟现实头盔、动作捕捉设备和数据手套等虚拟交互设备，进行沉浸式的虚拟维修仿真。可提供基于人机工效的评价方法，通过考察维修对象的可达性、可视性、维修人员的工作姿态、操作简便程度、维修时间，环境因素等，给出分析评价结果和修改建议。
