0 引言

随着CAD、CAE、CAM软件的普及，数字化、信息化已成为制造业的主流，数字样机模型的概念也应运而生，基于数字模型的设计与验证方法在各行各业已进行了初步探索。

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，其研制水平是一个国家工业化水平的重要衡量标准。飞机各个舱室的系统布置方案设计在飞机型号研制中占有重要的地位。运用数字化设计与验证技术，可以极大地提高布置方案设计的迭代速率，借助数字化平台将物理验证提前至设计阶段开展，减短飞机设计周期并产生显著的经济效益。

传统的飞机布置方案设计与验证是基于物理样机开展设计方案的验证与评估，即需要工程师下沉到真实的安装、装配环境中，依托实物评估安装间隙、拆装通道、装配工艺、人机工效等，设计与验证串行的工作模式极大地增加了研制成本，延长了研制周期。为突破传统设计模式带来的局限性，近几年，国内基于数字样机模型已开展初步研究。李平^[1]运用数字样机运动仿真，对汽车前桥转向这一复杂运动过程进行空间分析与干涉检查；陈裕^[2]提出了基于VR开展驾驶舱或客舱内部立体化人机工程分析与展示、多人协同评估方法；钱汝娟、周涛涛^[3]等人探讨了船舶结构分段虚拟装配工艺的实际应用；杨东浩、方维^[4]等人研发了面向民机驾驶舱的混合现实仿真平台，对驾驶舱操纵部件可达性、布局合理性、仪表显示可视性和可读性方面进行人机工效分析；郑庆^[5]利用虚拟维修技术构建逼真的虚拟环境来对虚拟样机进行维修性分析，给出可达性分析结果判据，提升了飞机维修性。

上述文献仅基于数字样机模型开展方案的验证与评估，并未在设计前期系统、全面地梳理捕获设计需求，以真正实现“边设计、边验证”的正向设计。在上述研究成果的基础上，结合民机型号工程经验，全面捕获了民机布置方案设计中的需求，并归纳提炼了关键运动件布置、安全性辅助分析、人为因素评估、拆装通道规划和外部布置等关键过程的仿真验证方法。在布置专业内部形成了方案的闭环验证，提高了布置方案的成熟度，增加了方案向下传递的置信度。

1 关键过程仿真方法概述

民用飞机研制阶段^[6]通常涵盖需求与概念论证、初步设计、详细设计、试制与验证、批量生产五大阶段，关键过程主要体现在：

1）初步设计阶段和详细设计阶段需关注重要区域、舱段安全性/维修性协调设计、典型运动部件/线束的间隙控制、人机工效等；

2）试制与验证阶段需重点解决试飞改装系统设备、管线路的拆装通道、外部布置与地面设备的协调设计等；

3）批生产阶段需考虑产品设计优化、改装装配工艺路径的可行性等。

通过飞机布置过程的关键场景识别分割，捕获各场景仿真需求；基于数字样机模型，运用软硬件结合的设计验证协同仿真平台针对系统布置与安装、布置方案安全性、维修与人为因素、制造工艺与装配、地面运营与保障五大关键过程开展方案设计与验证，通过方案的多轮协调，形成方案的数字化闭环验证，最终传递至下游系统，供管线路、设备等系统设计专业、工艺制造等专业使用，如图1所示。

2 仿真验证关键技术

2.1 设计验证协同仿真数字化平台

设计验证协同仿真平台通过集成基于网络平台的工作站、数据服务器、人机交互设备等硬件资源以及具备数据运算、轻量化处理的软件，实现桌面端或沉浸式的方案数字化仿真，如图2所示。

2.2 关键过程仿真技术

2.2.1 关键运动件布置审查

运动部件的布置审查是在设计阶段对飞机上诸多运动部件的布置位置开展可行性评估，确保在运动过程中不与周围的环境发生干涉，并提前识别运动部件和静止部件之间潜在的干涉或间隙不足风险，避免后期返工。

利用运动机构仿真^[7]以及柔性线缆仿真功能模块实现关键运动件布置审查，详细如下：

1）刚体运动学仿真。飞机上典型的、复杂的运动场景例如起落架结构收放、襟翼结构收放均属于刚体运动，通过建立运动机构仿真模型，定义主/从动件、添加运动副装配约束来实现刚体运动机构的作动，仿真流程如图3所示。

2）柔性线缆仿真。飞机上的线缆遍布各舱段，尤其是在易燃液体管路布置密集区域布置的线缆，更需要关注其运动轨迹，通过设置线缆的属性包括杨氏模量、泊松比、抗弯刚度等关键参数创建线缆仿真模型，仿真形成运动包络，用于与周围环境布置开展干涉、间隙审查，仿真流程如图4所示。

a）建立仿真环境模型。依据仿真任务明确仿真区域，建立仿真环境模型。

b）创建线缆。设置线缆的内外径、密度、抗弯抗扭刚度等参数，并生成线缆。

c）开启仿真，生成线缆运动包络。

d）干涉/间隙审查。根据间隙规范与要求审查线缆包络与周围环境之间的间隙。若干涉或间隙值不满足规范要求，则需要反馈至方案设计方，对方案进行优化。

e）刚体与柔性线缆联合仿真。在飞机机翼，刚体的运动往往伴随着柔性线缆的运动，如伸缩电缆，需结合图3和图4开展联合仿真实现刚体与柔性线缆结合体的布置审查。

2.2.2 布置方案安全性辅助分析

在开展飞机关键系统、设备的布置和权衡时，需考虑区域安全性^[8]、特定风险等因素，关键系统、设备的布置应尽量避免布置在受影响范围之外，并确定设备失效后的影响范围，辅助飞机安全性分析工作。

利用沉浸式漫游功能模块、动画编辑模块实现基于全机环境的安全性辅助分析，详细如下：

1）建立仿真环境模型。基于全机环境，开启全机沉浸式漫游。

2）根据全机危险源清单，建立影响范围的数字模型，基于沉浸式功能可视化该范围（如半透明球体），标注出受影响设备，输出可能受影响的系统/结构、设备清单；沉浸式可视化飞机鸟撞、液体泄漏、擦尾、后压力框破裂等特定风险对飞机的冲击影响过程，结合动画编辑模块，以关键帧的形式在不同的视角下复现冲击影响场景。

2.2.3 布置方案人为因素评估

在开展飞机各舱段的布置方案设计和权衡时，尤其是与人交互较密切的舱室，如驾驶舱、客舱、电子电器设备舱等，需考虑人机工效^[9]因素。在数字模型样机中验证对应布置方案的舒适性、可视性和可达性等。

利用人机工效仿真功能模块实现布置方案的人为因素评估，详细如下：

1）桌面式仿真。通过设置人体百分位参数构建虚拟人体样本，定义人体姿势，基于多重视锥和可达区域对人与产品的多种交互进行仿真，仿真流程步骤如下：

a）建立仿真环境模型。依据仿真任务明确仿真区域，建立仿真环境模型。

b）创建并编辑虚拟人样本。通过设置虚拟人性别、国籍、人体百分位等参数创建虚拟人人体样本；根据仿真任务，调整虚拟人上肢、下肢、躯干等重要关节姿势。

c）可视性评估。姿势调整完毕后，开启虚拟人多重视锥，可直观评估被操作对象是否位于人体可视范围内、是否位于最佳视角等。

d）可达性评估。姿势调整完毕后，开启虚拟人上肢、下肢可达包络，可直观评估被操作对象是否位于人体可达范围内。

e）舒适性评估。姿势调整完毕后，开启人体舒适性评估，可通过人体关节颜色直观评估相应关节的舒适性。

f）方案人为因素评估。根据c）—e）的结果，若该姿势可视、可达且舒适，那么该姿势可供实物操作参考；若评估结果无法接受，则需要反馈至方案设计方，对方案进行优化。

2）沉浸式仿真。通过设置人体百分位参数构建虚拟人体样本，借助虚拟现实系统，实现真人驱动虚拟人，实现虚拟人与真人姿势、动作的实时同步，仿真流程与桌面式仿真基本一致，差别在于沉浸式为使真人与虚拟人姿势、动作同步，需在b）步中新增真人与虚拟人动作同步校准步骤，如图4所示。

2.2.4 部件装配/拆装路径规划

装配/拆装^[10]路径规划是在设计阶段基于数字样机规划部件的拆装路径，实时验证多拆装方案的可行性、难度等，以减少物理模型制作、缩短装配周期、降低装配成本。可以利用动态干涉实时检查功能模块实现。

飞机上尤其是空间狭小区域的管路、设备若需要更换，是需要对其拆装路径进行规划的，通过建立拆装对象的数字模型，并对其以及周围环境添加可碰撞约束属性来实现对象的拆装通道、拆装路径的数字化规划，仿真流程步骤如下：

1）建立仿真环境模型。依据仿真任务明确仿真区域，建立仿真环境模型。

2）添加可碰撞属性。对环境中的结构、管线路以及被拆装对象分别添加可碰撞属性。

3）尝试多方向拆出该对象。

4）仿真结果评估。根据第3）步结果，若该部件能成功拆出，那么记录拆出路径供实物操作参考；若尝试多次仍无法成功拆出，则需要反馈至方案设计方，对方案进行优化。

2.2.5 考虑地面运营的外部布置审查

外部布置审查是在方案设计阶段考虑地面运营场景，验证飞机外部接口布置的合理性，以及与地面GSE设备工作的协调匹配性，提前发现外部布置潜在的问题，提升机场运行保障效率。可以利用动画编辑与可视化模块实现。

外部布置审查在建立地面GSE的数字模型的基础上，根据外部车辆过站时序图赋予车辆进近/撤离时间点、工作时间属性可视化地面车辆作业整个过程，仿真流程如图5所示。

3 案例与应用

以前缘缝翼机构为例，基于ICIDO开展运动结构作动可视化仿真，验证该区域管线路的布置合理性。

3.1 前缘缝翼运动结构及原理分析

某型飞机前缘缝翼机构简图^[11]如图6所示，图中标注了主要的运动组件。

高升力系统扭力杆组件主要用于将PDU传递过来的动力进行机械转换，驱动小齿轮绕其定轴转动，镶嵌在缝翼滑轨上的扇形齿条与小齿轮啮合实现从动，缝翼结构与滑轨的端部固定，最终达到缝翼的收起或放下的目的。

3.2 前缘缝翼运动仿真

前缘缝翼运动仿真流程如下：

第一步：建立仿真对象数字模型

构建机翼区域的数字数模并保存，如图7所示。

第二步：运动构件建组

建组的目的是将模型中一起运动的部件“绑定”为一个整体，如相互固定的部件之间的螺栓、螺母或垫片等辅助零件，因此为保证运动模型的完整性，在电脑处理能力范围内，不删除以上辅助零件，而是确认辅助零件的随动主体，并将其与主体统一建组。

针对缝翼运动机构，建组情况如表1所示。

建组完成后，对所建的组设置刚体（rigid）属性，如图8所示。

第三步：部件属性及运动副设置

该运动机构里扭力杆与齿轮组成的整体为动力输入源，因此为主动件，其他部件为从动件。

下面分别对部件本身、部件之间添加运动约束。

1）经动力学分析，扭力杆上的小齿轮及扭力杆作绕扭力杆轴线的定轴转动，因此对其添加单体转动副（hinge）约束，如图9所示，转动轴拾取如图10所示。

2）与小齿轮啮合的齿条安装在滑轨上，转轴为齿条中心轴，该中心轴通过在齿条上随机选取3个点自动拾取，如图11所示，即齿条绕该轴作定轴转动，与前述第1）步相同，对齿条添加单体转动副（hinge）约束。

第四步：定义装配约束

在部件本身的运动副属性设置完毕后，需定义构件两两之间的运动关系。齿轮与齿条之间通过设置“碰撞”和“碰撞处理”实现齿轮之间的啮合传动，如图12所示。

齿条与前缘缝翼结构之间设置固定连接（fixed），如图 13 所示。

第五步：添加机构运动范围/行程

根据缝翼的实际构型偏度，添加缝翼的转动角度行程范围值，如图14所示。

第六步：周围环境间隙属性设置

周围的管线路、结构的间隙约束用容差（melt offset）来定义，通常情况下，运动件与静止件间隙应不小于25.4 mm，间隙约束添加如图15所示。

第七步：启动仿真开展布置审查

开启仿真，驱动主动件小齿轮，可在构型偏度范围内实现缝翼的收放，如图16所示。

在运动过程中，审查者观察是否实时出现红色箭头提示来判断运动件与周围的系统、设备、结构是否发生干涉。

4 结论

基于软硬件结合的设计验证协同仿真平台，提出关键运动件布置、安全性辅助分析、人为因素评估、拆装通道规划和外部布置等关键过程的仿真验证方法，通过仿真案例论证了关键过程技术方法的可行性。但实物制造模型会因制造、安装等与理论设计模型产生一定的偏离，如何保证实物模型与理论模型的一致性是后期需要重点研究的方向。

参考文献