航空發動機數字化裝配仿真關鍵技術研究

2024年3月28日發(作者：得與失的感悟)

航空發動機數字化裝配仿真關鍵技術研

究

摘要：隨著我國航空事業發展得如火如荼，數字化技術也逐漸受到人們的重

視。本文主要闡述了飛機發動機裝配中存在的一些問題，目前已經有一些可行的

裝配工藝、工裝結構和流水線布置方法，以確保裝配的可行性，減少有關缺陷的

發生，并及時地檢查裝配工藝設計的合理性，優化裝配工藝。

關鍵詞：航空發動機；數字化裝配；關鍵技術；可靠性研究

引言：為了改善發動機的可靠性、使用壽命和主要性能指標，在飛機發動機

生產的各個階段，都必須致力于改進相關的裝配技術和設備的質量。由于受到多

種人為因素的制約，使得常規手工制造的產品質量難以適應航空發動機的要求。

在此基礎上，運用虛擬現實技術，對所設計的產品進行了三維建模，從而達到了

產品的可裝配性和經濟性。采用先進的數字化裝配技術，改善飛機發動機的生產

效率，改善飛機的零部件質量，是飛機發動機生產技術發展的一個重要趨勢。在

飛機發動機生產技術中，數字化裝配具有以下優點：①可以有效地改善飛機發動

機的裝配效率和產品的質量。為適應現代工業生產的高速發展，我國航空發動機

集中化的發展提出了新的要求。②在此基礎上，對國內的數字化柔性裝配技術的

發展起到了積極的推動作用。

1.航空發動機數字化裝配的意義

飛機發動機裝配包括零件裝配和總裝裝配。有關的研究顯示，飛機的裝配費

用約為40%，裝配工作時間約為50%，裝配作業的實施是決定飛機引擎效能的關

鍵因素。為了確保飛機的正常工作，機匣、盤、軸、葉片、噴口等零件應具備精

確裝配與聯接、高同軸、平衡性能和穩定性；其次，空氣、燃油及滑油等必須具

備良好的密封性和清潔能力；同時還需要各種附屬設備和管道具有良好的抗振動、

抗磨損、絕緣等特性。由于飛機引擎各項技術性能、推重比、可靠性等技術指標

的不斷提高，使得現有的裝配技術很難適應飛機發動機研制方式的轉變，目前所

面對的問題是：裝配工藝設計及驗證依賴技術人員經驗和現場物理試裝，須反復

迭代修改，生產周期長；采用人工裝配，導致裝配的精確度不高，生產效率提高

速度慢；由于人工因素的存在，導致了作業的可信度和裝配品質的穩定性差，容

易出現錯裝、漏裝等問題。數字智能化裝配技術在歐美等發達國家中已經引起了

廣泛的關注。航空裝配已經從人工裝配、半機械化/半自動化裝配向自動化/數字

化裝配發展，實現對航空裝配的有效和高品質裝配工作，實現智能化裝配是必然

的發展方向。為了有效地解決飛機發動機的智能化裝配問題，提高其裝配技術的

技術含量，本文從裝配工藝設計、裝配工藝仿真、裝配性能仿真等方面進行了探

討。為了克服以上問題，本文對飛機發動機的數字裝配過程進行了系統的分析，

并給出了其主要技術的研究和實現方法，以供參考。

2.傳統發動機裝配技術存在的問題

航空發動機的數字化裝配技術是非常有效的方法。飛機引擎的裝配費用約為

40%，裝配工作時間占比約為50%。傳統的飛機引擎裝配技術的缺點有以下幾個方

面：①由于人員操作的原因，容易出現錯誤，不能適應飛機發動機的實際需要，

不能保證裝配工作的精度。②人工裝配必然會造成人為誤差，造成引擎精度下降，

嚴重時會影響引擎的正常工作，甚至造成引擎的損傷，危及人們的安全；③裝配

工人的能力和技術水平的差異化，使裝配工作出現了較大的偏差，同一機型由于

不同的人員裝配而產生的裝配問題，從而影響了發動機的工作效率；④容易導致

精密儀表的損傷。飛機引擎的裝配精度高，對設備的裝配水平有很高的要求。裝

配技術對飛機發動機的品質和性能有很大的影響，采用數字化裝配技術可以減少

飛機的錯誤率，提高引擎的工作效率和精確度。

3.數字化裝配中的關鍵技術

如今，數字化技術的發展已超越了傳統的制造技術，它把現代的信息技術和

傳統的技術相結合，把計算機技術集成到設計、制造和生產中去。為確保高質量、

高效率和低成本的生產目標，使發動機生產的管理更能適應當今時代對高科技的

需求。

3.1虛擬裝配技術

“虛擬”指的是首先對產品進行初步的理解，然后對產品的裝配流程進行模

擬，這樣可以提高裝配的工藝和質量，同時也能檢查裝配的設計是否符合實際的

要求。能夠及時地發現問題，盡早的修正模型，降低經濟損失。虛擬裝配系統的

裝配順序是設計者必須在前期工作就應當做好的，以實現航空飛行器自動化生產

的目的。在當今社會的高速發展中，裝配速度的加快已成為必然，自動化、數字

化技術的發展潮流已勢在必行。

3.1.1虛擬裝配系統的建立

虛擬組態系統是一種能夠指導產品設計和實際裝配的虛擬現實系統。CAD系

統是在虛擬環境下向虛擬裝配系統輸入產品信息的。在整個運行過程中，需要借

助虛擬現實技術，通過坐標變換和碰撞檢測等方法，最終將模擬結果輸出到產品

裝配模型中，制作過程動畫。

3.1.2裝配模型建模技術

在進行三維數字設計時，必須對其進行二次輕量化等一系列的加工。同時，

也要對部件等進行相應的規定。裝配模型建模技術具有典型配體模型的優勢，便

于用戶進行交互操作。

3.1.3裝配過程中的仿真技術

裝配工藝模擬包括兩個方面：可裝配性分析與精確分析。首先要對其進行可

裝配性分析，能夠完成以下幾個方面的工作：①對裝配設計與運行的標準進行檢

驗，并在早期發現問題并進行修正。②檢驗裝配順序與路徑的可行性，從而確定

最佳的裝配路線。③對裝配模具進行檢驗。采用容差分析技術對裝配精度進行分

析，并對其進行精度分析。④在產品裝配之前，可以對裝配方式等因素的變化產

生的影響進行預測。在提高產品品質的同時，能夠及時地檢查質量。對產品的優

化設計有一定的借鑒作用。

3.2裝配工藝過程數字化柔性設計

3.2.1實體建模技術

在虛擬裝配時，要盡量減少裝配故障事故的發生，使其保持在總體誤差的范

圍之內，同時要注意保持尺寸在控制范圍內。

3.2.2工藝過程設計技術

針對內燃機裝配工藝的特點，對其進行初步的設計，并將有關的信息引入到

系統中。通過建立相應的裝配數據信息庫，使制造流程實現自動化，從而降低人

工投入。

3.2.3基于形位公差的裝配容差分析技術

采用適當的計算方法，對產品的容差和裝配容差進行研究。一般情況下，兩

個工件表面的匹配不受表面曲率和粗糙度的影響。在某一面的粗糙程度高時，接

觸面可視為點面，此時應設定一面，增加兩面的粘接率，以完成裝配工作，此面

稱為虛配合面。從以上可知，虛擬裝配表面是一個更光滑的曲面，它反映了兩個

曲面的結合程度。

3.3裝配工藝中的可視化技術

裝配工藝必須嚴格遵循裝配工藝卡片的要求，而目前使用的紙質工藝卡片遠

遠不能滿足生產的需求，紙質工藝卡片雖然便于查閱，但并不能實時地指導裝配

生產。裝配工藝分為多個工藝步驟，每一個工藝步驟都應當在前期的設計工作中

做好。在工藝設計中，先在系統中錄入工藝節點，再將相應的裝配動畫加入到相

應的節點中，并進行制作最終的裝配過程動畫，通過這種可視化技術可以及時地

發展其中存在的問題，并及時總結相關的經驗予以避免裝配問題。

4.裝配制造數字化

航空發動機裝配生產的數字化技術，除了工裝、裝配工藝之外，還有裝配管

理和裝配檢查等方面。裝配生產數字化就是利用數字技術的優勢，可以有效地提

高產品的質量和生產能力，提高產品的生產效率和產品質量。由于飛機發動機零

件數量多、復雜程度高，而且大多是非標準零件，難以精確控制，造成了飛機發

動機裝配技術仍處于傳統的人工作業、半自動裝配模式，其裝配精度主要依靠人

工識別。在裝配和定位上，飛機發動機裝配技術主要依靠剛性裝配工裝定位、劃

線定位等技術，針對某特定型號的飛機，由于發動機型號變動，裝配工裝、裝配

軟件、設備等都要進行改裝，從而增加了制造時間，導致發動機精度不能得到保

障。航空發動機集中化技術向數字化方向發展，由剛性定位向自動化、數字化方

向發展，提高了發動機集中化的效率。

柔性裝配技術是航空發動機裝配數字化技術的一種技術方法，它可用于不同

尺寸和型號零件的裝配，以保證零件的裝配精度。它包括數據采集、處理系統、

柔性工裝技術等。柔性裝配的測試技術。采用光學測量和補償技術對裝配進行檢

測，采用激光跟蹤等數字化測量系統對裝配工藝進行監控，并對裝配產品進行測

量，并確定有關的控制點（關鍵特征）的定位。數字化測量技術已從傳統的計量

向監測和數字一體化發展。就裝配數字化技術而言，正朝向著由單一向多元的技

術方向轉變，以更好地提高裝配工作的精度。利用數字化技術，能夠實現從點到

面的目標，實現數字化裝配技術的發展。

5.虛擬裝配工藝仿真

利用計算機實現發動機的虛擬裝配，并對裝配工藝路徑和裝配順序進行仿真，

從而避免了零件尺寸、工藝裝備尺寸、裝配順序、裝配路徑等不合理因素引起的

干擾。利用人機工程學仿真技術，根據裝配順序、裝配路徑，實現虛擬人體模型

的控制，并能真實地模擬裝配過程中人工操作在裝配過程中的各種實際作業狀況，

并對裝配的可及性和可見度進行分析，并對其進行分析和評價，保證裝配人員在

能夠實現最佳的作業效果。波音公司將3D數字設計與模擬技術運用于787型號

飛機開發中，從而縮短了飛機裝配流程的計劃與出現變更的幾率。洛克希德-馬

丁（洛馬）和普惠公司等軍工企業，在虛擬裝配技術的運用上，也獲得了很大的

成功。在達索 DELMIA平臺的基礎上，對飛機裝配工藝過程的虛擬仿真技術進行

了深入的研究和應用。我國國內學者目前對航空飛機發動機的低壓渦輪組件進行

了相關的研究，結果表明，用數字模擬取代實物樣機，可以對飛機的裝配過程進

行合理性的檢驗，是一種快捷、高效的方法。復雜產品裝配規劃仿真系統可以實

現裝配工藝設計、工藝路徑模擬、裝配過程圖的自動生成，從而可以有效地提高

裝配的成功率，從而減少裝配成本造價。從現有的研究和實際應用中，可以看到，

為了優化工藝設計、縮短開發周期、節約成本，特別適合于新型號的開發和批量

生產。由于傳統的三維數字模型在進行裝配過程模擬時會產生大量的數據，這對

軟件和硬件都有很高的要求，所以在裝配工藝模擬中必須要注意和解決這個問題。

產品三維模型、模具模型、設備模型、人體模型是實現裝配工藝路線和裝配順序

仿真、人機工程仿真等虛擬裝配技術的基礎。在數字化和智能化技術的發展中，

智能裝配技術的應用越來越廣泛。因此，波音公司將這項技術運用到航空發動機

的裝配工作上，使人工的裝配線誤差減少50%左右，生產周期減少25%，GE、賽

峰等公司也將這項技術用于航空發動機的裝配工作中。在此基礎上，研制了一套

基于混合現實技術的智能裝配系統，并對其在航天領域的應用進行了實踐，從實

踐的結果來看，目前有著較為出色的應用，該項技術可以為我國的航空發動機裝

配工作提供一定的見解和借鑒。

6.結束語

發動機的數字化裝配技術的全面推廣，極大地提高了發動機的裝配和制造效

率，使國產發動機的自主研發能力得到了極大的提升。本文認為，將數字技術運

用到飛機發動機的設計中，將會為我國的航天事業健康發展打下堅實的基礎和保

障。

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