商用航空发动机工装设计方法优化与仿真

□ 唐嘉鸿 □ 谭青春

1.中国航发商用航空发动机有限责任公司 上海 201306 2.上海联宏创能信息科技有限公司 上海 200125

1 研究背景

当前,世界商用航空发动机市场主要被通用电气、罗尔斯·罗伊斯、普惠三大航空发动机制造商垄断。我国商用航空发动机研制起步相对较晚,随着大飞机专项和两机专项等多项利好政策的实施,我国商用航空发动机产业迎来了重要的历史机遇,我国国产商用航空发动机研制工作近些年也取得了阶段性成果[1-2]。

航空发动机属于高精尖工业科技产品,对零部件质量、精度及整体装配精度有非常高的要求。为了提高航空发动机产品的质量,在装配过程中需要应用大量专用辅助工装。目前,我国商用航空发动机领域正在通过数字化工艺设计系统的建设,来支撑航空发动机装配工艺设计业务,并且基本实现了基于模型设计的结构化装配工艺设计与管理。但是,对于装配工装的可装配性和可靠性问题,仍然主要依靠工装设计人员的经验进行结构设计,并进行结构强度估算,然后由人工检查工装与产品间是否存在干涉,从而导致部分潜在问题直到车间物理试生产时才被发现[3-5]。由于专用工装是根据具体装配工序或工步的实际应用而提出的,因此工装的需求及设计往往迟滞于装配工艺的设计,为了提高航空发动机产品的研发效率,需要尽早提出工装需求[6-7]。

航空发动机产品装配工艺及工装设计的合理性会极大影响生产现场的效率和产品装配质量,需要构建集装配工艺设计和装配工艺干涉仿真、装配工装结构仿真于一体的数字化环境,实现物理样机验证向数字样机验证的转变,用数字化方法验证产品装配系统的可行性[8-10]。为了提高商用航空发动机工装的可装配性和设计可靠性,笔者基于数字化技术,对航空发动机工艺、工装快速设计、仿真协同管理展开研究,提出工装设计优化方法,从整体上缩短装配工艺准备周期,提高装配工艺质量,满足实际生产制造要求。

2 工装预设计关键点

为了更优地进行商用航空发动机专用工装设计,要基于专家系统的基本原理[11-12],预先设计专用的资源库、评价规则、执行逻辑等,以保证专用工装快速、可靠设计的实现。

笔者通过工厂一线制造调研及整体分析研究,提出工装优化设计最核心的四部分预设内容:知识库建设,装配工艺成熟度定义与管理,工装设计成熟度定义与管理,计算机辅助工程结构仿真管理。

2.1 知识库建设

为了实现商用航空发动机专用工装的快速设计,需要有针对性地建立知识库,主要包括工装设计资源库、工装结构仿真资源库和装配过程仿真资源库三个部分。

工装设计资源库需基于NX软件进行建模,具体包括梳理关键尺寸创建表达式、绘制标准模型、验证数据准确性等。工装设计基于Teamcenter软件进行资源存储和分类管理[13],并映射至NX软件重用库,便于工程师进行检索、调用。资源库包括工装标准件库、零件模板库、工装模板库、单元构建库、特征库、装配序列库、工装快速设计资源库等,创建零件模型界面如图1所示。

▲图1 创建零件模型界面

构建工装结构仿真资源库,根据具体需要,创建一定数量重用度较高的典型零部件计算机辅助工程网格模型,建立计算机辅助工程通用件库,实现新仿真对已有计算机辅助工程库的高效重用。笔者在商用航空发动机专用工装设计方法研究中梳理了50个重用度高的模型作为仿真支撑。工装结构仿真资源库构建流程如图2所示。

▲图2 工装结构仿真资源库构建流程

构建装配过程仿真资源库,需建立假人库、人体姿态库、设备库、产线库、运动学工装模板等内容,基于Tecnomatix软件[14-15],结合具体装配过程仿真需求,提供虚拟三维环境来设计和优化手工操作。建立及调用人体姿态界面如图3所示。

2.2 装配工艺成熟度定义与管理

引入装配工艺的目的在于工艺工程师在进行装配工艺设计时,可以根据不同的成熟度对历史工艺进行借用或重用,提高装配工艺设计的效率。

工艺成熟度根据相关属性进行评级,属性设有八种,分别为稳定性、验证充分性、可检测性、可操作性、继承性、适用性、防差错性、经济性,每个属性设有四个等级,对应设置为1分～4分。按照成熟度对象的属性等级,将分数相加,最低分为8,最高分为32。

定义工艺成熟度对象属性,工艺结构归档以后,在Teamcenter软件中可查看对应工艺的成熟度。

▲图3 建立及调用人体姿态界面

2.3 工装设计成熟度定义与管理

根据实际生产需求,工装成熟度定义为对整套工装进行评级,并且将成熟度作为一种查询维度,可以在库中运用成熟度对工装快速查询、重用及借用。装配中心在设计工艺时引用工装,可以根据成熟度来判断是否需要申请新工装。

按照工装设计的符合性,将工装设计成熟度划分为六个方面进行评估,每个方面按低、中、高依次打分1分、2分、3分,总和最高18分,最低6分,从而便于判断工装实物是否便于加工,是否成功应用于多个商用航空发动机型号的装配生产,操作是否友好,是否易于拓展等。

工装设计成熟度六方面见表1。

表1 工装设计成熟度六方面

基于成熟度的工装设计管理在Teamcenter软件中实现,工装产品数据成熟度可以为相关工作的协同提供依据。

2.4 计算机辅助工程结构仿真管理

使用NX软件计算机辅助工程模块对工装设计数据进行结构静力学仿真,并将仿真所产生的数据保存至Teamcenter软件,通过Teamcenter for Simulation模块进行管理。计算机辅助工程仿真过程数据追溯如图4所示。

▲图4 计算机辅助工程仿真过程数据追溯

3 工装设计方法优化

3.1 关键设计场景

对于笔者所研究的商用航空发动机工装设计,结合实际生产任务分析,总体可以分为结构一致工装的重用设计、结构类似工装的重用设计、全新设计三种场景。结构一致工装的设计最为方便快捷,可以直接基于工装资源库快速设计及仿真分析,生成图纸与报告。结构类似工装的重用设计需基于重用特征库和零件模板进行迭代,完成设计。全新设计可以根据需求调用资源库,构建零件与装配设计,完成计算机辅助工程分析及Tecnomatix软件动态仿真分析。

3.2 工装模板

完整的工装模板数据包括计算机辅助工程仿真数据、计算机辅助设计数据。计算机辅助设计数据包括参数化三维模型、三维尺寸标注、三维模型所对应的主模型工程图。计算机辅助工程仿真数据包括仿真模型、有限元网格模型、理想化几何模型。

基于计算机软件集成环境,构建工装总装配部件。航空发动机模型庞大,实际作业时,在保证航空发动机设计坐标方位的前提下,按需选择必要的零部件作为设计参考。根据工装具体功能、结构特点,梳理工装模板的各个模块,进行工装参数化零件建模、装配、出图、检查工作。部分工装模板见表2。

表2 部分工装模板

3.3 主要工装部件设计

以核心工装部件承压工装为例,承压工装主要用于对航空发动机后承力机匣组件进行装配,基于工装模板和重用设计原理,可以快速可靠地对其进行计算机辅助设计模型设计。首先进行承压工装关键参数梳理,明确可变尺寸和固化尺寸,梳理对象包括固定后机匣的螺栓孔中心线直径等。然后对可变尺寸定义可驱动参数,构建参数化模型。接着基于NX软件产品工作模板室模块,对可变参数进行交互式界面创建、封装。最后将封装后的模板导入Teamcenter软件分类库,进行存储。将构建好的工装模型发送至NX软件计算机辅助工程模块,进行分析。

承压工装计算机辅助设计模型如图5所示，承力机匣组件装配计算机辅助设计模型如图6所示。

▲图5 承压工装计算机辅助设计模型▲图6 承力机匣组件装配计算机辅助设计模型

3.4 工装结构仿真分析

基于NX软件的计算机辅助设计、工程一体化平台,对承压工装进行分析处理和求解。在计算机辅助工程环境中,明确主体分析对象,对几何数据模型进行清理,删除非承力结构零件及对承力结构刚度影响微弱的零件,如承压工装中的螺栓、销钉、吊环、刻度尺等,并删除圆角,完成缝合边、面等几何简化处理。进行有限元网格划分,赋予材料属性,施加载荷与约束,建立工况,然后进行求解计算。

承压工装位移云图如图7所示,承压工装应力云图如图8所示。从有限元分析求解结果中可以看出,承压工装的最大位移为1.445 mm,关键部位最大应力为788.99 MPa,远小于失效阈值,由此验证承压工装的设计是有效且可靠的。

▲图7 承压工装位移云图▲图8 承压工装应力云图

4 装配过程仿真

4.1 工装与航空发动机装配

首先要明确航空发动机目标部分的零件装配顺序及装配工艺,将信息以装配工艺结构清单的形式发送至Tecnomatix软件进行仿真,检查干涉情况,同时基于工程网络图来明确每项工艺的开始时间、结束时间和完成该工艺所需的时间,以及工艺之间的关系和完成整个装配工艺的关键路径。

然后克隆装配线,Teamcenter软件提供了基于产品、工艺、产线、生产资源的数据管理模型,将产品、工艺、工厂、生产资源统一在一个数据模型中,每个工位下需要挂载的该工位所包含的设备、工装、夹具等组件,都具有三维轻量化模型。导入工装数据,发送至Tecnomatix软件进行仿真,基于工装运动机构的定义分析所设计完成的工装与工件的装配过程,检验工装与工件是否干涉,分析工装的可行性。

以承压工装为例,在Tecnomatix软件中设置各部件运动仿真定义,将承压工装放置在旋转架上,并调节位姿。将发动机后承力机匣组件放置到承压工装承载结构上,固定后旋转至所需装配角度及工位,进行装配操作。

基于Tecnomatix软件仿真过程,可以检查所有干涉情况,并能够明确表达装配工艺,对航空发动机车间装配具有重要的指导作用。承压工装仿真分析如图9所示。

▲图9 承压工装仿真分析

通过工艺仿真模块建立工装可行性人因仿真,基于人因工程分析建立工装多个成熟度检查,从工装与基本件的装配干涉仿真、拧紧工装仿真、关键工艺点仿真、人机可视性与可达性仿真、人因疲劳度分析、人因力量评估等方面验证工装的可行性。基于人因工程分析可以充分考虑现场工作人员的工作环境,适当增加助力设备、吊具等,以避免工作人员因现场设置不合理而导致工伤。

4.2 工装计算机辅助制造机床仿真

笔者在研究中进行了数控机床集成仿真验证及加工计算机辅助制造数据管理两部分内容。数控机床集成仿真验证包括机床仿真模型测绘、机床运动学关系定义等,能够在NX软件计算机辅助制造环境下完成加工程序的验证及调试,通过建立真实数控机床三维模型,以及与现场加工资源相匹配的工装夹具、刀具等真实模型,实现在软件虚拟环境中真实模拟车削、铣削、磨削加工状态,确保工装零件加工程序安全可靠,杜绝编程错误所造成的事故。

5 结束语

笔者通过对商用航空发动机的实际生产制造进行问题和需求分析,提出一套工装设计优化方法。基于专家系统思路,创新定义了预设计专用资源库,以及成熟度评价规则,通过NX、Teamcenter、Tecnomatix等软件联合,实现了集快速设计、计算机辅助工程分析、动态仿真分析、计算机辅助制造于一体的专用工装设计方法,在中国商发商用航空发动机公司已经初步实施应用。对于典型专用工装而言,这一方法可以提高50%效率,工装及过程可靠性得到进一步保障。