DELMIA在飞机工艺设计与过程仿真的应用

　　一、前言

　　数字化装配工艺设计与过程仿真技术在现代飞机的设计和制造中扮演的角色将越来越重要。它提供了在3 维数字化环境中动态地安装零部件及其组件的整个过程。通过数字化3 维仿真技术实现飞机装配全过程的仿真。并在仿真过程中检查干涉以确保所有零部件的准确安装，及这种安装相对于其周边安装件而言的可行性，同时可验证操作人员在该环境下的可达性，可操作性。目前国际上以飞机和汽车为代表的大型复杂产品研制企业都已将数字化装配技术应用于生产中，取得了显著的效益。无论是波音还是空客目前基本上已实现了数字化装配。波音公司的7E7 飞机已经采用航空制造业的装配解决方案，实现了整机的3D 虚拟装配仿真和验证。 极大的缩短了设计变更，缩短了工艺规划时间，提高了产量并降低了生产成本。空客系列飞机壁板装配采用了以数控钻铆机为中心的柔性装配系统，从铆接过程到装配管理均实现了数字化控制。资料统计得出：对典型部件装配周期缩短60％，飞机装配周期缩短10％以上，装配工艺设计周期缩短30％～50％，装配返工率减少50％，装配成本减少20％～30％，大大提高飞机装配质量，极大限度满足客户要求。

　　为充分了解DELMIA 软件的功能特性及其装配工艺设计思想和装配设计流程，以西飞即将投产的ARJ21 中央翼组件的装配为验证项目展开中央翼组件的数字化装配工艺设计与过程仿真技术项目实施。

　　ARJ21 是Advanced Regional Jet for the 21st Century 的简称，是70~90座级的中、短航程支线飞机，拥有国内自主知识产权，按照世界上最新技术设计，研制过程中全面采用数字化技术是该新支线的又一特点。同时，并行工程技术的充分应用，从飞机总体方案起，设计部门、工艺部门、项目管理部门等各部门就介入进去，一起工作，组成了真正的联合工作队。数字化技术的全面采用为DELMIA 软件的具体实施提供了良好的数据基础。

　　中央翼组件结构是飞机中最重要的结构件之一，是整个飞机的最重要的承力结构，同时也是西飞承担ARJ21 飞机的最重要装配件。其装配结构复杂，装配工艺技术要求较高。

　　ARJ21 中央翼组件装配具有如下特点：

　　1、生产过程工艺性复杂，专业水平要求高，原理性知识需要掌握、熟悉，才能完成所承担的工序。

　　2、采取的国外先进工艺方法和手段，很多工序的完成需要工装设备的保障。

　　3、手工作业性强，即装配过程靠人在飞机上手工将成品、零组件、材料、标准件、电缆导管组成系统而完成整机的装配过程。

　　4、生产过程需要协调的问题、协调的单位多，部分问题的出现无法准确地确定，依靠原理、经验判断问题的所在，需要协调和协助解决的工作多。

　　5、生产过程复杂，生产周期相对比较长，批生产周期为45 天左右，新机生产为4 个月左右。

　　6、生产过程中对生产条件依赖性较强，零组件、标准件的配套，成品材料供应等直接制约着生产周期，缺一不可。

　　二、现有装配工艺设计普遍存在的问题

　　目前国内整个飞机制造过程中处于重要地位的飞机装配过程基本沿袭了数字量传递与模拟量传递相结合的工作模式，装配工艺的设计主要采用计算机辅助工艺过程设计系统CAPP 系统进行，但仍然停留在二维产品设计的基础上，与CAD系统没有建立紧密的联系，更谈不上与设计的协同工作，无法将装配工艺过程、装配零件及与装配过程有关的制造资源紧密结合在一起实现装配过程的仿真，无法在工艺设计环境中进行3 维的虚拟工艺验证，零部件能否准确安装，在实际安装过程中是否发生干涉、工艺流程、装配顺序是否合理，装配工艺装备是否满足装配需要，装配人员及装配工具是否可达、装配操作空间是否具有开放性等一系列问题无法在装配设计阶段得到有效验证。上述任一环节在实际生产中出现问题都将影响飞机的研制周期，造成费用的损失。

　　三、DELMIA 软件结构及项目实施内容

　　DELMIA 软件系统包括两个相互关联的独立软件，DPE(Digital ProcesEngineer--数字工艺工程)和DPM(Digital Proces Manufacture--数字制造工
艺)。DPE 为数字化工艺规划平台，是产品工艺和资源规划应用的平台。利用在产品设计初步阶段产生的数字样机或EBOM（工程材料表，其包括了零件、装配件、外购件及其对应信息——图纸、文件、材料等等）数据，进行产品分析，工艺流程定义，制定总工艺设计计划，工艺细节规划、工艺路线制定；同时还可实现工艺方案评估，工时分析，车间设施布局和车间的物流仿真等功能。DPM 为工艺细节规划和验证应用的环境。它是按照DPE 中设计好的各种工艺并结合各种制造资源，以实际产品的3 维(或数字样机)模型，构造3 维工艺过程，进行数字化装配过程仿真与验证。利用验证的结果可分析出产品的可制造性、可达性、可拆卸性和可维护性。它真正实现了产品数据和3 维工艺数据的同步。

　　具体项目实施内容如下：

　　1．在CATIA V5 中，读入已经设计好的ARJ 中央翼产品数据，并通过脚本文件生成该产品的EBOM 表。

　　2．在DPE 软件中，将EBOM 导入到针对西飞而特别定义的工艺设计模板中形成DPE 中的产品信息表。将已定义好的相关资源（如厂房、工装，人等）加入到DPE 环境中形成资源信息表。并且根据实际装配工艺，在DPE 中构建详细装配工艺信息表，同时将与该工艺有关的产品和资源加入到该工艺中。 最后将规划好装配工艺存入PPR Hub 数据库中。该软件可以各装配工艺模型和装配型架、夹具、工厂等制造资源三维模型，按照确定的装配流程进行全面的工艺布局设计和三维数字化装配工厂仿真，进行生产能力的平衡分析，并不断对工艺布局和装配流程进行调整、优化。

　　3．通过PPR HUB 数据库，将DPE 中设计好的工艺过程导入DPM 中进行详细的3 维的工艺验证和仿真。在DPM 软件中主要完成的主要内容包括：

　　1）装配顺序的仿真 利用已有的装配工艺流程信息（Process）、产品信息（Product），资源信息（Resource）在定义好每个零件的装配路径的基础上，实现产品装配过程和拆卸过程的三维动态仿真，从而发现工艺设计过程中装配顺序设计的错误。

　　2）装配干涉的仿真 在对装配顺序仿真过程中对每个零件进行干涉检查。当系统发现它们之间存在干涉情况时予以报警，并示出干涉区域和干涉量，帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。

　　3）产品和制造资源的仿真 在装配顺序仿真的基础上，引入工装等制造资源的三维实体模型，对产品和制造资源进行三维动态仿真，以发现产品与制造资源发生干涉的问题。

　　4）人机工程仿真 在产品与制造资源的仿真的基础上，再将定义好的三维人体模型放入该环境中进行人体和其所制造、安装、操作与维护的产品之间互动关系的动态仿真，以分析操作人员在该环境下工作的姿态、负荷等，进而修改和优化工艺流程和制造资源，以高效装配和以人为本的原则。

　　5）装配过程的记录 利用以上装配过程的三维数字化仿真功能，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的培训帮助，帮助操作人员直观了解操作全过程。

　　6）生成相关文档 整个装配仿真过程经验证无误后，可以按照需要，定制生成相关的文档。

　　四、设计中的存在的问题

　　通过中央翼数字化工艺设计与过程仿真验证，我们发现中央翼总装型架和中央翼总装工作梯的设计存在如下需要设计改进的方面。

　　1、中央翼总装工作梯立柱位置不合理。一般情况下，操作人员是双手端着工具盒上到型架上，而原始设计的工作立柱恰好挡住了操作人员上到型架上的路径。

　　2、操作人员从地面上到型架上，型架地板面距地面距离约500mm，以操作人员平均身高1720mm 分析，其右腿抬得过高，此时人会失其重心。

　　3、操作人员拿着工具上到中央翼上翼面工作，型架工作梯距上翼面边缘有730mm 距离, 操作人员来回行走存在不安全隐患。

　　4、操作人员拿着工具钻进中央翼里工作的仿真图片，我们可以看到这个姿势很不舒服，右腿与上部躯体夹角106.532deg,，接近极限113deg，工作环境极为恶劣。

　　五、项目实施后对DELMIA 软件的一些认识

　　通过此次项目实施，使我们对该软件有了一定的认识，总结一下，主要有以下几点：

　　1、该软件与CATIA 软件为无缝集成，装配工艺阶段可以完全利用上游设计部门提供的设计数据，从而实现真正意义上的3 维工艺规划，并对零件的加工过程、产品的装配过程、生产的规划进行3 维模拟并验证。促进工艺应用水平的提高，及优秀的工艺经验继承，实现真正的设计与工艺并行工程；提高设计能力，同时也大大提高了设计效率，缩短了产品的生产时间。

　　2、DELMIA 软件提供的装配工艺设计思想和装配设计流程与西飞工艺设计师的设计习惯相符，工艺设计师可以很容易、快捷地掌握该软件，为日后在企业内的推广奠定了基础。同时该软件也提供了丰富的定制工具，还可针对西飞装配工艺的具体实际进行客户化定制。

　　3、该软件可以对产品、零部件或工艺文件进行自动统计汇总工作，可自动生成属于工艺文件类的各种报表，可将上述各种文件直接传递给PLM软件系统，实现整个公司更大范围内的系统集成。

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