白则群 陈乃威 顾海健 卢婷婷 邵传金

摘要：基于三维模型仿真平台，对某型发动机试验件典型航线可更换单元（LRU）进行虚拟维修仿真，通过可达性、可视性、维修姿态及操作空间分析，评估了目标LRU维修性水平，初步建立了基于虚拟维修仿真的民用航空发动机LRU维修性验证优化流程，基于该流程，针对后续发动机型号LRU维修性设计要求，持续优化外部管路维修性设计过程。

关键词：发动机；模型；LRU；维修性设计

Keywords：engine；model；LRU；maintainability design

0 引言

维修性设计分析与验证运用维修性试验演示等分析手段发现维修性设计缺陷，对设计缺陷进行维修性影响程度分析，进而采取纠正措施改进产品设计特征并通过验证，是系统的维修性设计分析验证闭环过程。该项活动的有效实施可为设计人员最终设计决策提供有力依据[1]。

依托虚拟仿真技术，上述活动可有效规避制造滞后于产品整体设计更改的客观制约因素，避免设计资源的浪费，有利于设计的整体优化。但该技术在国内民用航空发动机领域应用还处于起步阶段，特别是基于虚拟维修仿真的民用航空发动机航线可更换单元（LRU）维修性分析与验证流程尚不完善，无法对航发产品具体结构设计起到正向迭代作用，严重影响发动机维修性设计与结构设计并行进程，降低产品市场竞争性。

本文针对某型民用航空发动机试验件LRU进行基于虚拟维修仿真的维修性分析与验证，并给出量化的分析结果，评估周围管路布局对目标LRU维修性水平的影响，为发动机外部管路设计提供必要设计输入。初步建立基于虚拟维修仿真的LRU维修性设计分析流程，随着后续研制型号不断迭代虚拟仿真维修性分析设计流程，优化发动机外部管路结构设计，为降低航发产品航线维修时间提供一种解决思路。

1 基于虚拟维修仿真的维修性分析

1.1 虚拟维修仿真建模

虚拟维修仿真可为设计人员提供设计和评估发动机维修性及维修性工艺过程的支持环境，利用虚拟仿真维修技术构建包含发动机数字样机与维修人员三维人体模型的虚拟环境，并借助必要手段与虚拟环境中的维修对象进行交互，实现对真实维修的模拟。主要包括虚拟维修样机建模及维修过程建模。

1）虚拟维修样机建模

虚拟维修样机建模过程分为数据准备、样机建模和样机成熟三个阶段，具体建模过程如图1所示。

数据准备阶段，提取CAD几何数据和装配关系等信息，同时初步建立仿真维修任务及过程描述。

样机建模阶段，CAD几何数据转化及简化处理，完成虚拟样机几何建模，形成初步虚拟维修样机。

样机成熟阶段，进行维修拆卸过程建模、人机交互过程建模及相关应用模型建模，输出到虚拟维修仿真系统。

2）维修过程建模

在进行维修过程建模时，维修人员凭借其对维修程序的理解、经验以及现场观察来完成具体的操作，并没有包含关于维修性人员操作、零部件运动、工具使用的所有信息。正因为如此，现有的虚拟仿真软件还不能完成对最小步骤的仿真。为实现虚拟维修仿真，需要对维修过程进行进一步分解，在确保分解层次结构最底层具有明确语义的同时，还能方便地通过软件实现仿真。因此，须以最基本维修动素为对象，针对不同维修过程进行分解，形成维修过程清单，依据维修过程清单进行维修仿真。

1.2 基于虚拟维修仿真的发动机维修性分析技术

基于虚拟维修仿真的发动机维修性分析技术包括对维修对象的可达性分析、可视性分析、维修人员操作空间分析、工作姿态分析和维修时间估算，通过以上分析技术给出分析评价结果和修改建议。

可达性分析是指实体可达性分析，是考虑维修人员在不同身体姿态和辅助手段条件下与维修对象发生直接或间接接触的能力，主要采用打分法和指标量化法进行评判。可视性分析可根据人的生理视野区域特性建立可视錐进行评价，也可基于维修观察部位，绘制可观测角度的极限平面，通过截平面上显示的可观测角度来确定可视性好坏。维修操作空间分析是基于维修人员可能使用的工具、可能采用的维修姿态及维修对象的尺寸等相关要求，对维修过程中是否发生干涉进行评判，主要分析方法包括干涉与碰撞分析法[4]和指标量化法。工作姿态分析的内容是判断维修人员能否处于最佳作业姿势、运用最佳作业动作进行维修作业，主要采用快速上肢分析（RULA）、OWAS法[2]。维修时间估算采用沉浸式仿真时间、MTM仿真时间和人工输入时间等方式对各维修动素进行估算，并按照具体任务串并联方式进行统一加权得出总的估算时间。

1.3 基于虚拟维修仿真的发动机维修性分析流程

借助基于虚拟维修仿真方法进行与设计相关的维修性分析与评定工作时，应符合相关维修方案、使用与维修环境、人员技术水平和维修级别等方面的约束与要求。虚拟维修分析工作的实施流程如图2所示[3]，主要包括：

1）分析任务的确定，依据具体的维修性分析对象，确定维修性分析的目的、类别、项目；

2）维修场景建模，建立包含维修性分析对象、维修工具、地面设备、维修人员的维修场景，并建立维修工具库；

3）维修可视性分析，通过遍历虚拟人的位置和姿态，分析维修过程是否满足可视性要求，若无法满足，反馈到设计部门，建议设计更改；

4）维修可达性分析，通过遍历虚拟人的位置和姿态，分析维修过程是否满足可达性要求，若无法满足，反馈到设计部门，建议设计更改；

5）人员姿态舒适度判定，分析工作姿态的合理性，遍历虚拟人的身体姿态和位置，在满足可达性的前提下，寻找符合人体正常生理特征的姿态，若人体舒适度极差，反馈到设计部门，建议设计更改；

6）人员施力判定，分析施力是否超过人体极限，若施力超过人体极限，反馈到设计部门，建议设计更改；

7）其他维修性指标分析，对维修任务进行维修时间估算，若有不符合指標的，反馈到设计部门，建议设计更改；

8）分析结果输出，通过对维修过程的分析，输出维修性分析与评估结果。

2基于虚拟维修仿真的发动机LRU维修性验证评价及优化

基于虚拟维修仿真的维修性验证与评价的主要作用，是通过在一定的虚拟环境下对产品的虚拟样机进行维修，分析、评价产品维修性的好坏，并及时将这些信息反馈给产品设计人员，便于产品维修性的改进和提高，同时，这一过程还可以用于产品维修性设计的闭环控制，从而改善当前维修性设计流程。

2.1发动机典型LRU件虚拟维修仿真

通过基于三维模型的虚拟仿真平台process simulate，对某型发动机整机试验件航线可更换单元LRU进行虚拟维修仿真，仿真内容包括维修环境建模及导入和维修过程仿真。

1）维修环境建模及导入

首先，获取相似机型的维修任务信息，包括维修拆装工步和所需时间等。提取某型发动机整机试验件CAD模型和相关产品数据，并完成发动机CAD几何数据转化及简化处理，将整机及工具模型转化为可供虚拟维修软件读取的 JT格式，经过处理的三维模型如图3所示。其次，将发动机、维修设备及维修人员模型JT格式导入虚拟维修仿真平台，形成初始的虚拟维修环境。

2）维修过程仿真

在进行过程仿真时，通过虚拟人基本动作的组合如抓取、放下、行走等，可以完成所需的所有维修动作，也可以编辑人体的局部姿态，调整头部、躯干、四肢等各个自由度，形成维修过程仿真。

基于软件对某型整机试验件伺服燃油加热器、燃滑油散热器和N1转速传感器等典型LRU件进行虚拟维修过程仿真，以伺服燃油加温器拆卸为例，主要分为以下四步：

第一步：拆卸燃油进出口管，首先拆卸燃油进口管两端螺母，其次移出燃油进口管，随后拆除燃油出口管一端螺母和另一端法兰压板，最后移出燃油出口管；

第二步：拆除滑油进出口管，首先拆卸滑油进口管一端法兰和另一端卡箍，其次移出滑油进口管，随后拆除滑油出口管一端法兰并松开另一端三通头，最后移出滑油出口管；

第三步：拆卸支架，首先拆除固定支架卡箍的螺栓，随后移出支架；

第四步：拆下伺服燃油加温器，首先抓取伺服燃油加热器，随后移出伺服燃油加热器。

2.2 基于虚拟维修仿真的发动机典型LRU件维修性分析

1）可达性分析

依据表1所示的评价准则，通过包络球的覆盖范围判断维修人员在整个拆装过程中手臂可以到达的边界。若目标零部件在包络球内，则可达性良好；若在包络球边缘，则可达性差；若在包络球外，则不可达。

采用包络球为分析手段，某型整机试验件伺服燃油加热器仿真拆卸过程中可达性分析：

a. 燃油进出口管拆卸全过程中，目标零件（燃油进口管、外套螺母、90°弯头、环槽螺母、法兰压板、燃油出口管等）均在包络球范围内，评分为1，可达性良好；

b. 在滑油进出口管拆卸全过程中，目标零件（滑油进口管、法兰、卡箍、堵头等）均在包络球范围内，评分为1，可达性良好；

c. 在支架拆卸全过程中，目标零件（支架、螺母、卡箍等）均在包络球范围内，评分为1，可达性良好；

d. 在拆下伺服燃油加热器的全过程中，伺服燃油加热器在包络球范围内，评分为1，可达性良好。

2）可视性分析

依据表2所示的评价准则，通过确定人眼生理视野区域，得到人眼视线的可视锥，根据维修部位在可视锥中的分布位置对维修部位的可视性进行评价。

采用视锥法对某型整机试验件伺服燃油加热器仿真拆卸过程进行可视性分析：

a. 燃油出口管拆卸过程中，拆卸法兰压板时，法兰压板受遮挡严重，评分为8，可视性较差；

b. 滑油进出口管拆卸过程中，未出现零件遮挡现象，且各目标零件均被包络于视锥内，评分为1，可视性良好；

c. 支架拆卸过程中，螺母受遮挡，无法看到，但通过调整姿态可避免，评分为3；

d. 伺服燃油加热器移出过程中，评分为1，可视性良好。

3）操作空间分析

根据维修过程中维修人员（整体或某部位）及所持工具设备是否与给定操作空间发射碰撞干涉，对操作空间充裕程度进行分析评价，参考表3所示的评价准则。

采用碰撞干涉分析法进行分析，若出现干涉，则标红。某型整机试验件伺服燃油加热器仿真拆卸过程中操作空间分析：

a. 在燃油进口管拆卸过程中，虚拟人手部与导管、支架发生干涉，通过手臂调整可以避免干涉发生，评分为3；

b. 在燃油出口管拆卸过程中，人手与四处导管均发生干涉，扳手与“燃油泵和液压机械装置”发生干涉，且无法通过手臂调整避免，评分为8；

c. 在滑油进口管拆卸过程中，扳手与导管发生干涉，通过手臂角度适当调整可以避免干涉发生，评分为3；

d. 在滑油出口管拆卸过程中，人手与三处导管、球形导管接头和堵头等均发生干涉，扳手与法兰发生干涉，且无法通过手臂调整避免，评分为8；

e. 在对支架固定螺母进行拆卸过程中，虚拟人手与支架、两处导管、卡箍和三通接头发生干涉，通过手臂角度适当调整也无法避免干涉发生，评分为8；

f. 在对支架进行移出过程中，虚拟人手与导管、伺服燃油加热器发生干涉，无法通过姿态调整避免干涉发生，评分为3，建议更改支架构型或位置；

g. 在对伺服燃油加热器进行移出时，伺服燃油加热器与燃滑油散热器之间显示干涉，通过姿态调整，可以避免干涉发生，评分为3。

4）维修姿态分析

采用快速上肢分析（RULA）或OWAS法，对拆装过程的各维修姿态进行打分。

以OWAS法为例，通过对5位数的姿态编码进行解析，自动生成行动等级分数（Action Category，AC）如表4所示，并通过颜色显示判断维修姿势是否属于正常或有害姿势。

以RULA法为例，通过对维修姿态左右半身包括上臂、前臂、手腕、手腕扭转、颈部、躯干和腿进行打分，并综合肌肉状态（Muscle Use）和负荷分值（Force Use）加权，通过图4和图5所示表格进行打分。分值越高，姿态舒适度越差，改进紧迫程度越高。

采用RULA和OWAS法，对某型整机试验件伺服燃油加热器仿真拆卸过程姿态分析：

a. 燃油进出口管拆卸过程中，CA评级为1，维修姿态无需进行调整；

b. 滑油进出口管拆卸过程中，CA评级为1，维修姿态无需进行调整；

c. 以OWAS法為例，支架拆卸过程中，CA评级为1，维修姿态无需进行调整；以RULA法为例，支架拆卸过程中，左右半身最高评分为6，主要是颈部评分较高，可通过调整颈部姿态改善维修姿态；

d. 以OWAS法为例，伺服燃油加热器移出过程中，CA评级为1，维修姿态无需进行调整；以RULA法为例，伺服燃油加热器移出过程中，左右半身最高评分为4，可通过调整手腕部姿势改善维修姿态。

2.3 基于虚拟维修仿真的发动机典型LRU件维修性评价及验证

针对某型发动机试验件伺服燃油加热器基于虚拟维修仿真的维修性分析结果：

1）伺服燃油加热器拆卸全过程中，可达性良好；

2）燃油出口管下端的法兰压板处受遮挡较多，可视性较差，且在拆卸时人手与周围部件干涉较多，无法通过姿态调整改善可视性及干涉现象，建议重新布局接口和管路；

3）伺服燃油加热器和燃滑油散热器连接支板处的固定螺栓可视性较差，但通过姿态调整可以改善；

4）伺服燃油加热器和燃滑油散热器连接支板螺母拆卸和支板移出过程中，均出现无法避免的干涉现象，建议更改构型及位置。

结合现场验证，得出针对伺服燃油加热器的结论：

1）伺服燃油加热器燃油出口管路连接HMU端口处的法兰压板，徒手可从后部勉强伸入，但携带工具进行拆卸存在较大困难；

2）经验证，伺服燃油加热器与燃滑油散热器连接处固定卡箍的支板不存在无法取出的现象；

3）伺服燃油加热器连接滑油进出口管处右侧螺母使用工具拆卸困难，遮挡较多，需采用万向棘轮扳手结合套筒进行拆卸。

通过基于虚拟维修仿真评价及实地验证，将某型发动机典型LRU维修性设计水平反馈至设计部门，并进行迭代，实现了维修性设计流程的实施及维修性增长。

通过上述基于虚拟维修仿真的维修性分析方法，建立基于虚拟维修仿真的维修性分析及评价验证流程，并在后续机型的研制中进行迭代，不断优化LRU周围管路维修性设计过程。

3 总结

通过虚拟维修仿真平台，对某型发动机试验件典型航线可更换单元进行了维修仿真，基于可达性、可视性、维修姿态及操作空间分析和实际验证结果，评估了伺服燃油加热器的维修性水平，初步建立了基于虚拟维修仿真的民用航空发动机LRU维修性验证流程，并基于该流程，对标后续发动机型号LRU维修性设计水平，不断优化外部管路维修性设计过程。

在后续维修性设计优化的过程中，需要考虑维修任务时间的预计，结合任务动素串并联方式，采用MTM时间估算法或基于实际经验的人工输入法，对维修时间进行评估，从定量方面改进LRU的维修性设计水平，实现维修性增长。

参考文献

[1] LV Chuan. Maintainability Design Analysis and Verification [M]. Beijing：National Defense Industry Press，2012.

[2] GUO Bozhi. Maintainability engineering of Civil Airplanes [M]. Beijing：Aviation industry Press，2018.

[3] HAO Jianping. Methods and Technologies for Virtual Prototype Based Maintainability Engineering [M]. wuhan：Wuhan University of Technology Press，2016.

[4] KALLMANN M，AUBEL A，ABACI T，et al. Planning collision-free reaching motions for interactive object manipulation and grasping [J]. Computer Graphics Forum，2003，22（3）：313-322