飞机装配中的虚拟装配技术及其应用

张影   席菁宇   介宗琪

中航西安飞机工业集团股份有限公司     陕西西安710089

摘要：飞机装配存在部件多、精度要求高、集成复杂度高的特点，传统装配模式以物理样机验证为主，存在成本高、周期长、干涉问题难以提前规避的痛点。本文以虚拟装配技术为研究对象，系统分析虚拟装配技术在飞机装配中的主要组成部分和应用途径。首先介绍虚拟装配技术的数字化建模、装配过程仿真、协同交互三个主要模块，然后从飞机部件预装配验证、装配工艺改进、装配人员培训等方面的实际场景出发，证明技术可以降低装配成本、缩短装配周期、提高装配精度的作用，最后提出目前技术存在模型精度匹配、实时仿真效率低下的不足，并给出数字孪生与边缘计算相结合的优化方向。研究表明虚拟装配技术可以有效解决飞机装配中试错式的问题，给航空制造的数字化转型提供支持。

关键词：飞机装配；虚拟装配技术；数字化建模；装配过程仿真

一、飞机装配中虚拟装配技术的核心构成

1.1 飞机零部件数字化建模技术

数字化建模是虚拟装配的基础，根据飞机各个零部件的特点来建立高精度的模型。刚性结构件（机身蒙皮、机翼主梁）用参数化建模技术（CATIA的特征建模），准确标注尺寸公差等等，保证模型和物理零件的几何一致性误差不超过0.05mm；柔性零部件（导管、线缆）用柔性体建模技术（ADAMS的多体动力学建模），定义材料参数模拟装配变形。同时建立部件、子系统、整机三个层级化的模型结构，将子系统与机身模型进行关联，为装配仿真奠定基础。

1.2 飞机装配过程仿真技术

装配过程仿真属于虚拟装配的核心，要在虚拟环境中把整个装配过程模拟出来，并且要提前预判出关键问题。一方面做装配路径仿真，针对大型部件吊装与对接，用运动学仿真模拟吊装设备轨迹，分析最小间隙避免碰撞，发动机装配仿真可算最优路径且间隙大于5mm；另一方面做装配工艺仿真，模拟装配工序，分析工艺参数对质量的影响，确定螺栓最优力矩；另外做装配精度仿真，用蒙特卡洛法模拟误差影响，识别薄弱环节并给出补偿方案^[1]。

1.3 飞机虚拟装配协同交互技术

协同交互技术给多团队的虚拟装配提供支持，主要有跨地域协同平台、沉浸式交互设备、数据交互标准。跨地域协同平台通过云端服务器共享多团队模型和实时交互，成员可标注问题、讨论、跟踪进度；沉浸式交互设备用VR、AR技术使装配人员佩戴VR头盔看到细节、用AR眼镜辅助实际操作；数据交互标准采用STEP的飞机装配数据格式来保证不同软件之间数据无障碍传输。

二、虚拟装配技术在飞机装配中的典型应用场景

2.1 飞机部件预装配验证与干涉检测

飞机部件在正式装机前可借助虚拟装配技术实施全数字化预装配，提前察觉干涉状况，以飞机机身段对接为例，传统模式须把两个机身段运送至装配厂房之后方才开始物理对接，若发生干涉（譬如某导管同机身框架相撞），则需拆卸并重新加工，耗费时间且成本较高，虚拟装配技术可将两个机身段的数字化模型导入仿真软件，依照实际装配顺序执行虚拟对接，软件能够自动识别出最小间隙小于1mm的干涉区域，并形成干涉报告，其中包含干涉位置坐标，干涉量以及涉及的零部件编号等信息，设计团队依据这份报告及时对零部件模型作出调整，比如改变导管的弯曲角度，从而避开物理装配过程中的返工情况。某国产支线客机使用该技术后，机身段对接的干涉数量从每次装配的15处左右减少到3处以下，返工成本降低60%。

2.2 飞机装配工艺规划与优化

虚拟装配技术能改进飞机装配工艺，提高工艺可行性和效率，在飞机机翼装配时，传统工艺规划依靠工程师经验，容易出现工序不合理的情况，比如先装内饰板，结果导致后续导管无法敷设；利用虚拟装配技术，可以创建包含工装、工具、人员的完整装配场景，遵循“先里后外、先重后轻”的原则进行装配工序的模拟，分析各个工序的操作空间，比如人员手部活动范围、工具使用空间，发现工艺瓶颈，比如某工序操作空间不足200mm，无法使用标准工具，调整工序顺序，比如先装内饰板再装导管，或者设计专用工具，比如将工具手柄长度缩短至150mm。同时可以利用仿真计算螺栓拧紧时间、部件吊装时间等工序时间，优化工序衔接，减少等待时间^[2]。某航空企业应用该技术之后，机翼装配工艺总周期由原来的45天缩短为32天，工艺执行效率提高28%。

三、飞机装配中虚拟装配技术的现存问题与优化方向

3.1 现存主要问题

当前虚拟装配技术在飞机装配的应用中还存在着三个方面的不足，分别是模型精度与实时性之间的矛盾、多物理场仿真能力的欠缺以及数据协同的困难。一是模型精度与实时性矛盾，飞机整机数字化模型有数百万个特征，高精度模型（误差<0.05mm）文件容量超100GB，导致装配过程仿真的实时性变差（帧速率<15fps），影响交互体验；二是多物理场仿真能力不足，现有技术大多只做几何干涉、运动学仿真，温度、振动等物理场仿真能力弱，在发动机舱装配时，无法准确模拟发动机工作时的温度场对周边管路的热变形影响，造成虚拟仿真与实际装配的差距；三是数据协同难，飞机装配牵扯设计、制造、供应链等许多环节，每个环节的数据格式不一样（设计用CATIA格式、制造用STEP格式、供应链用Excel格式），数据传输时容易丢失信息（比如某个零部件的材料耐热性参数没传到装配仿真模型里），仿真就不准确^[3]。

3.2 技术优化方向

就上述问题而言，可从三方面开展技术改进工作，第一，把边缘计算同轻量化建模技术结合起来，用模型简化算法（比如去掉非关键特征，合并小面域）把整机模型容量压缩到20GB以下，再凭借边缘计算节点分担仿真计算任务（比如把碰撞检测计算放到本地边缘节点去做），让仿真帧速率达到30fps以上，既保证了模型精度又保证了实时性；第二，创建多物理场耦合仿真平台，把几何仿真（CATIA），热仿真（ANSYSIcepak），振动仿真（ADAMS）等软件的功能整合起来，形成多物理场数据交互接口，在发动机舱装配仿真时，把发动机温度场数据加入几何仿真模型，模拟管路在热变形后发生干涉的情形，从而改善仿真与实际的一致性；第三，依靠数字孪生搭建起全流程数据协同体系，把飞机数字孪生模型当作核心，打通从设计到制造再到装配的数据通道，保证零部件的设计参数，制造误差，供应链的状态等各种数据能够及时同步，当供应链那边告知某螺栓实际尺寸比标准大了0.03mm时，数字孪生模型便会自动更新这个螺栓的参数，并且把这个更新后的参数同步到装配仿真里，从而保证仿真数据和实际情况保持一致。

结束语

随着航空制造业对于装配效率、质量、成本控制的要求越来越高，虚拟装配技术就成为了飞机装配领域里的主要创新方向。本研究从虚拟装配技术的核心构成、典型应用场景和现存问题三方面入手，对虚拟装配技术进行了系统梳理，明确了虚拟装配技术在数字化建模精度提高、装配过程仿真优化、多团队协同交互等方面的技术优势，同时指出了模型实时性、多物理场仿真能力、数据协同效率等方面的瓶颈问题。未来，随着边缘计算、数字孪生、多物理场耦合仿真等技术的更进一步融合，虚拟装配技术将会打破目前存在的局限性，推动飞机装配向着全数字化、智能化、协同化方向前进，给航空制造业的高质量发展提供强有力的技术保障。

参考文献

[1]姚文杰.基于虚拟装配技术的民用飞机客改货装配工艺多目标优化方法研究[D].中国民航大学,2024.

[2]郝龙,刘涵予,黄翔,李泷杲,谢颖,刘春,宋金辉,喻龙,候国义.基于实测数据的飞机虚拟预装配技术发展综述[J].航空制造技术,2024,67(06):65-77.

[3]闫梦娜.基于虚拟现实的飞机平尾装配仿真技术研究[D].沈阳航空航天大学,2022.