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1、西安航空职业学院西安航空职业学院毕业论文毕业论文基于虚拟现实技术的飞机模型装配仿真研究基于虚拟现实技术的飞机模型装配仿真研究姓姓 名：名： 专专 业：业： 航空电子 班班 级：级： 完成日期：完成日期： 指导教师指导教师: 【摘要】 飞机装配过程中出现的装配错误和装配时间长等问题一直是困扰航空企业发展，随着计算机技术的飞速发展，为虚拟现实技术在航空企业的应用提供了可能。通过应用基于虚拟现实技术的飞机模型装配仿真，快速解决相应的装配问题，提高了设计、工艺环节的质量和效率。关键词：虚拟现实；飞机模型；装配仿真0 引言引言飞机是目前制造行业中结构最复杂、设计和制造难度最大的产品，飞机装配是飞机制造的
2、重要环节，在飞机研制中占有极其重要的地位。装配工艺设计及仿真工作贯穿于飞机整个装配过程，在现代飞机的设计、制造和装配中扮演的角色将越来越重要，先进的装配工艺和仿真技术应用于生产中，可以极大地提高飞机装配生产率，缩短飞机的研制周期，减少装配返工率，保证飞机产品装配质量并产生显著的经济效益1。建立基于虚拟现实技术并跨越不同专业学科的沉浸式数字样机仿真平台是航空企业重点开展的信息化建设项目之一。全球化协同制造日趋激烈，企业急需改变传统的装配工艺，解决装配精度高，装配结构复杂带来的装配错误、装配时间长等弊端。同时，为了适应飞机型号产品的并行研制需求，建立基于虚拟现实技术的沉浸式数字样机仿真平台，可以提
3、高飞机装配与设计、制造过程中的集成度和并行度，为实现企业航空数字化开发，提供全面的技术支撑。林美安等1以飞机机身为研究对象，分析了飞机装配工艺和仿真技术的合理性和可行性。刘羚等2通过对装配工艺规划进行研究，提出了基于三维模型的装配工艺规划及仿真设计验证。本文提出虚拟现实技术应用于飞机模型装配仿真，通过利用虚拟现实技术对产品可装配性、可拆卸性、以及装配路径等进行分析、验证、优化，通过飞机沉浸式装配仿真技术，快速提高产品装配质量、效率和可靠性，对提高我国航空产品设计与产品制造并行工程具有重大意义。1 飞机模型装配仿真分析近年来，如何提高航空产品质量，加快产品设计的研发和缩短制造周期已至是航空制造业
4、面临的一个难题。为提高型号产品研制效率，飞机型号产品设计已基本实现了传统的二维设计转向三维设计过渡。然而，目前大多数制造企业仍然沿用传统的二维装配工艺设计方法，主要依靠经验丰富的装配专家手工来完成，对于航空航天领域复杂产品的装配设计，只能凭借经验寻求可行解或局部较优解，往往难以获得全局最优解2。这种传统的装配工艺设计方法很难承接设计阶段的三维模型数据信息，直接影响到产品的装配质量和交付周期。针对传统二维装配工艺不具备接收型号产品三维数模信息的现状，通过基于虚拟现实技术沉浸式数字样机平台，应用虚拟现实技术开展装配工艺设计及仿真，可以达到提高装配工艺设计质量和效率，减少工艺返工，缩短工艺准备周期，
5、提高工艺指导现场能力的目标。当前，沉浸式仿真装配仿真技术已逐步应用于机械领域的产品设计、性能评估以及虚拟装配规划等。利用沉浸式装配仿真，可以更好地模拟实际的装配过程，在实际装配之前对整个过程进行仿真，及时发现存在的问题，对产品以及装配过程做必要的调整3。1.1 虚拟现实技术虚拟现实技术，也称虚拟技术，是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟环境，该技术综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，是一种由计算机技
6、术辅助生成的高技术模拟系统。1.2 IC.IDO 软件IC.IDO 是一款基于虚拟现实技术开发的专业可视化软件，为用户提供人机功效分析、可视化设计制造决策功能。通过将飞机型号产品三维设计数模可视化，形成 1:1 形式的虚拟样机，利用虚拟样机和虚拟装配来辅助产品设计，可广泛应用于飞机型号产品早期设计、验证、装配、培训等环节。有利于缩短型号研制周期，提高型号产品的装配工艺水平，从而提高型号产品质量，为企业在市场竞争中取得优势。1.3 沉浸式数字样机仿真平台通过采用基于虚拟现实技术的相关硬件设备，搭建一套基于虚拟现实技术的沉浸式仿真平台，并与可视化软件 IC.IDO 集成，为飞机型号产品提供了可视化
7、装配分析、验证功能，从而辅助产品设计。其主要实现过程如下：飞机设计人员在设计完型号产品三维数模后，整机的三维数据文件数据较大，一般情况下，很难在一台计算机上通过 CATIA 等专业设计软件快速的打开飞机的整机数模。在虚拟制作过程中，IC.IDO 软件在不改变三维数据文件的内部结构、不丢失三维数据文件的的前提下对其进行轻量化处理，处理后即可在 IC.IDO 软件中快速的打开，并且通过沉浸式数字样机平台进行完整展示，可在装配完整的产品数字样机中开展样机展示、漫游、装配分析等活动。图图 1 1 沉浸式数字样机仿真平台示意图沉浸式数字样机仿真平台示意图Fig.1Fig.1 ImmersiveImmer
8、sive DigitalDigital PrototypePrototype SimulationSimulation PlatformPlatform SchematicSchematic DiagramDiagram2 应用举例2.1 数字样机漫游、展示通过基于虚拟现实技术的沉浸式数字样机仿真平台，能实现将计阶段的数字样机快速可视化呈现，并可进行交互式操作。实现在装配完整的数字样机中进行内部漫游展示和分析。仿真模拟型号产品制造前的技术状态，便于设计人员和工艺人员对数字样机内部结构的布局合理性以及零部件的可制造性、可装配性、及后期的可维护性等内容进行多部门、多学科的技术分析。逐步完善产品研发
9、的设计方式从借助于设计图纸过渡到利用虚拟样机和虚拟工程学来辅助产品设计，实现所见即所得的真实感，从而提高设计效率。图图 2 2 数字样机漫游数字样机漫游Fig.2Fig.2 DigitalDigital PrototypePrototype RoamingRoaming DiagramDiagram图图 3 3 数字样机展示图数字样机展示图Fig.3Fig.3 DigitalDigital PrototypePrototype DisplayDisplay DiagramDiagram2.2 装配干涉仿真分析飞机型号产品是一个复杂的组合体，是由大量的装配件装配组成，设计人员往往在完成型号产品的
10、设计后，需要对产品中包括的各个零部件的信息进行整理。如果装配件包含的组件的尺寸存在误差，会导致零部件制造完成后发现干涉或者操作空间不够而造成零部件报废的情况。通过基于虚拟现实技术的沉浸式数字样机仿真平台，可真实的对模型交互过程中的动态干涉进行仿真，该平台提供的可视化实时干涉响应机制，在存在干涉的情况下，可通过箭头可视化及交互设备提示干涉信息，实时将干涉结果进行可视化展示，同时，可设置零部件的穿透属性和干涉范围，对零部件装配运动的干涉区间进行分析验证。为型号产品设计和工艺人员解决复杂的干涉问题进行分析提供新的技术手段，提高装配工艺的数字化水平。图图 4 4 干涉检查分析图干涉检查分析图Fig.4
11、Fig.4 InterferometricInterferometric AnalysisAnalysis DiagramDiagram2.3 柔性线缆运动分析型号产品数字样机包括大量的柔性线缆，对产品中的柔体进行布线，除需要考虑柔体与实体的干涉、外部环境的影响外，还需要考虑重力场及柔体属性对布线、接头设置的影响。借助于沉浸式数字样机仿真平台，可手动创建柔性线缆，将真实的材料属性（泊松比、材料密度、内/外径等）赋予模型中的柔性管路和线缆，插入固定节点以控制线缆的约束，还可以将柔性线缆的活动区域进行包络性分析，并能够将包络区进行导出等。对复杂运动和复杂工况下的柔体材料安全和柔体干涉性进行分析验证
12、。为设计人员设计柔性线缆提供方法，而且能够指导工艺人员规划正确的工艺路线，验证柔体布线的合理性。图图 5 5 规划布置柔性线缆图规划布置柔性线缆图Fig.5Fig.5 PlanPlan TheThe FlexibleFlexible CableCable DiagramDiagram3 前景随着数字化制造技术和仿真技术的不断发展，航空制造领域出现了许多和虚拟现实、虚拟装配相关的应用。虚拟装配仿真已经成为优化工艺设计结果、缩短型号产品研制周期、提升产品质量的必要手段，可以有效的降低产品研制风险和减少开发成本，具有非常广阔的市场前景。4 总结基于虚拟现实技术的沉浸式数字样机仿真平台针对数字样机漫游
13、、展示、装配干涉检查分析和柔性线缆运动分析等关键技术进行了论述，能够快速实现装配工艺过程的可视化，本文根据虚拟现实技术的发展特点以及结合专业工程化软件 IC.IDO 的技术功能，研究了基于虚拟现实技术在飞机模型装配仿真上的应用。提出了虚拟现实技术的飞机模型装配仿真方法，该方法能够提高飞机模型装配技术质量，提高飞机装配工艺的数字化水平。推进虚拟现实技术在我国航空企业的深入应用，提高我国航空企业整体技术水平。参考文献1 林美安，陈文亮等. 飞机机身装配工艺及仿真技术研究D. 南京：南京航空航天大学，2010 年 Lin Meian,Chen Wenliang,etc. Aircraft fusel
14、age assembly process planning and simulation technique researchD. NANJING: NanJing University of Aeronautics and astronautics,2010.2 刘羚，易红等. 基于三维模型的装配工艺规划及仿真验证D. 南京：东南大学，2013 年Liu Ling, Yi Hong. Assembly Process Planning and its Simulation Verification based on the 3DmodelD. NANJING: School of Mechanical Engineering Southeast University, 2013.3冯子明等. 飞机数字化装配技术M. 航空工业出版社，2015 年：90-90Feng Ziming,etc. Digital Assembly Technologies For AircraftM. Aviation Industry Press, 2015th,90-90.致谢致谢在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意。
