【摘 要】基于虚拟维修技术，从民机维修性设计角度出发，研究了桌面式虚拟维修场景建模方法，论述了面向民机维修性分析的维修过程仿真，阐述了基于虚拟维修技术的维修性分析思路，为虚拟维修技术在民机维修性设计领域的应用进行了初步探索。
　　

【关键词】虚拟维修；维修性设计；仿真
　　maintainability design of civil aircraft based on virtual maintenance
　　sui guang-lei li bin
　　（shanghai aircraft design and research institute， shanghai 201210， china）
　　【abstract】based on the virtual maintenance technology， view from the civil aircraft maintainability design， the modeling method of desktop virtual maintenance scene was researched， and the maintenance process simulation of civil aircraft-oriented maintainability analysis was discussed， the idea of maintainability analysis based on virtual maintenance technology was explained， and the primary research for application of virtual maintenance technology in the field of civil aircraft maintainability design was conducted.
　　【key words】virtual maintenance； maintainability design； simulation
　　0 引言
　　维修性是与维修关系最为密切的质量特性，直接影响到飞机的维修时间、费用和出勤率，是设计时赋予飞机本身的固有属性，其对民机的可靠度及经济性等具有决定性作用[1]。www.11665.COm传统维修性设计依赖物理样机，既消耗大量人力物力，同时受实物样机等条件限制，很多分析评估工作无法开展，不能尽早发现设计中存在的问题[2]。因此，传统的维修性设计分析方式造成民机全寿命周期运营成本高，市场竞争力差，不能适应现代民机设计的运行机制。
　　计算机仿真和虚拟现实技术的迅速发展，为民机的维修性设计提供了一种新的方法，即虚拟维修。虚拟维修利用民机现有数字样机和相关维修信息，创建虚拟维修环境，在虚拟环境中仿真维修过程，从而在设计早期就能对产品的维修性设计和维修工作进行分析评价，达到辅助民机设计的目的。
　　1 虚拟维修场景建模
　　虚拟维修可分为桌面式和沉浸式[3]。其中桌面式虚拟维修可以在个人计算机上运行，将计算机的屏幕作为虚拟世界的观察窗口，通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，其成本低，应用较为广泛。
　　虚拟场景构建是构造民机维修场景的三维造型，主要是建立民机的3d模型，依据真实的维修现场，满足逼真性、交互性，为维修性分析与验证建立一个近似现实的场景。虚拟维修场景主要由民机数字样机、维修工具、地面设备和维修环境模型等组成。
　　虚拟维修场景广泛应用于分析和考查民机与维修有关的各个方面。维修场景须按照真实特征属性设计，在一定程度上具有与物理样机相似的几何特性与功能，具有支持维修活动的空间、自由度约束等运动属性和物理属性，可以实现维修过程交互。
　　作为民机虚拟维修仿真的核心部分，虚拟维修场景系统应该具有如下功能[4]：
　　1）虚拟维修场景应该展示民机逼真的外形与物理特征，具有真实物体的几何属性，给参与者较真实的视觉感受。
　　2）虚拟维修场景应该有效表达维修场景的物理特性，如质量、重心等特性，且能够实现维修对象的约束运动。
　　3）虚拟维修过程应与真实维修过程保持一致，保证飞机设计的基本结构关系、装配关系。
　　4）能够实现各种硬件、软件及标准的集成。
　　5）能够给出维修作业的相关信息，如维修时间、维修工具及设施等。
　　6）虚拟维修场景应具有合适的三角面片数，能够支持实时仿真。在维修仿真中，须在保证可接受精度的前提下，实现三角面片数的简化。
　　虚拟维修场景建模是构建虚拟维修样机系统几何模型、物理属性模型、行为特征模型的一个综合过程，要求操作者在虚拟环境中对虚拟维修场景进行生成、调试和评价。场景建模可分为产品几何建模、物理属性建模、行为建模、人机交互特征建模四个部分[3]：
　　1）产品几何模型包括民机的几何模型、装配信息、层次结构、系统及部件间的配合等关系。几何建模是从cad系统中输出维修场景的装配数据文件；依据维修任务提供的场景组成信息对装配数据文件进

重组；并对装配数据和新生成的装配层次关系建立新的装配数据文件，反馈回cad系统；从cad系统中输出对应的装配层次的几何文件和属性文件。
　　2）物理属性建模从基本物理量在虚拟环境中的建模开始，将长度、质量、表面纹理等物理量抽象处理后，与虚拟环境结合起来，建立虚拟维修场景物理属性的基本建模方法。
　　3）行为建模是建立贴近真实维修场景表现行为的理论模型，使设计者能够按照这种模型方便地构造出一个行为上真实的虚拟维修场景模型。
　　4）人机交互特征是产品的非几何信息，包含支持虚拟维修交互过程的交互特征、交互计划、过程控制等交互信息，是与维修操作有关的运动过程，用以描述零部件的拆装过程。 　　民机维修进行维修场景几何建模时，须依据具体的维修任务控制装配层次深度和复杂程度。虚拟维修场景首先能支持一个或者多个维修仿真，对核心部位重点描述，对辅助部分粗略表示；其次维修场景中维修对象的基本元素是可更换单元，可以是零件、部件、组件或设备，且必须包括可更换单元的几何、装配、人机交互等信息。
　　2 过程仿真
　　民机的虚拟维修仿真是以民机设计为中心的维修过程仿真。虚拟维修仿真是实际维修过程在虚拟环境下的预演，将真实反映与描述民机维修过程所经历的各种行为、各种状态。使用维修仿真软件的人机仿真功能，实现人体模型在虚拟场景下的各类基本维修动作仿真，如实现虚拟人的移动、实现预定轨迹维修运动、仿真拾取和放置动作。
　　通过人体模型和维修对象、工具/地面设备之间的运动，以及人体模型之间的并行操作，生成各位置的姿态，并结合各类约束操作，利用各种运动控制方法实现人体模型和物体之间的运动。维修过程实际上是人——民机——工具/地面设备三者之间发生相互作用的过程，其中人是主体，民机和工具、设备又对人的行为具有一定的约束。
　　3 维修性分析
　　基于虚拟维修的维修性分析内容主要有：维修的可达性、检测诊断的方便性和快速性、工具操作空间和工作场地的维修安全性、人机工程等。
　　3.1 可达性
　　维修可达性是从民机可达性角度进行分析，主要考虑维修人员和工具接近维修部位的难易程度。从视觉可达、实体可达和操作空间三个方面进行评价。
　　1）视觉可达是分析维修过程中维修人员对维修对象、维修工具和维修人员自身动作，通过目视手段得到的观察结果。基于gjb2873-97，最佳视锥定义为：双眼最佳视野范围：当人的头部保持直立不动而只是眼球在转动时，视线中心线上下左右各15度的圆形区；最大视野范围：视线中心线上15°到40°，下15°到20°，左右15°到35°的椭圆形区。如图1、图2。
　　2）实体可达是考虑维修人员在不同身体姿态和辅助手段条件下，与维修对象发生直接或间接接触的能力。为了便于对民机内部进行维修，设计时在民机的表面留有维修口盖。维修口盖的大小必须符合在维修过程中的人体可达尺寸要求，即维修人员使用工具能够得着维修对象或维修人员能够在维修口盖内方便的进行维修。
　　在维修口盖设计时，需要考虑民机维修时维修人员可能使用的工具、可能采用的维修姿态以及民机待维修组件的尺寸，要为维修人员的维修操作预留足够的操作空间。
　　基于虚拟维修仿真，对分析对象的维修性进行评定，维修可达性分析验证标准如表1。
　　表1 可达性评定标准
　　table1 assessment standard of accessibility
　　3.2 人机工效
　　1）力量载荷是考虑维修操作过程中，维修对象对人员的力或力矩的载荷要求。不同形式的力或力矩对维修人员的影响是不同的，在评价时需要结合维修人员身体姿态和力的形式进行分析。
　　2）工作姿态是从人机工效学角度考虑维修人员使用工具时，维修姿态及其持续时间对维修人员造成的疲劳影响。这部分可以分为静态和动态两个方面。静态情况下，以人体姿势及其持续时间为分析内容。人体姿势可分为弯腰、蹲、卧姿和攀高等，如果在这些姿态下仍然无法实施维修，就需借助辅助设备来完成。由于人体在某种姿态下随着持续时间的增长，疲劳程度也会越来越大，故需考虑各种维修姿态的最大持续时间。动态条件下分析的是各个工序之间或者同一个工序中，不同维修姿态的变换和调整是否符合人机工效学，虚拟人动作的转换是否符合人的习惯。
　　3.3 维修安全
　　工位环

境是考虑在样机中，维修对象安装位置附近处于工作状态的设备对维修人员的影响程度，如电路、油路、高温、高压、辐射等环境条件。评价内容主要考虑维修场所或地点的恶劣程度对人体生理和心理方面造成影响的程度，以及由环境所引起的对其它辅助工具的需求。
　　安全水平是从安全性角度分析维修操作时存在的不安全程度。gjb2961-97《修理级别分析》中规定，将产品限制在特定维修级别修理的危险因素包括：高电压、辐射、极限温度、化学或有毒气体、过大的噪声、爆炸物、超重。评价内容为维修人员操作过程中，维修对象安装位置周围空间是否存在危险源（如尖锐棱角、高温物体、高压带电物体等）对维修操作运动路径形成干涉及干涉影响程度。
　　4 结论
　　随着民机技术的不断发展，其结构日益复杂，对并行开展其维修性设计和分析工作提出了更高的要求。本文论证基于虚拟维修的民机维修性设计，为维修性指标中的可达性、人机工效、维修安全等指标的分析和验证提供了可行的方法，为民机维修性设计的全过程提供了可行的分析和验证依据，为民机维修性设计开拓了思路，有助于民机维修性优化。虚拟维修不需要在实物上实现民机的维修性设计，克服了传统模式实物样机制造周期长，成本高，难以实施设计更改的不足，从而降低了民机的设计成本，提高民机的市场竞争力，将成为民机维修性设计的重要发展方向。
　　【参考文献】
　　[1]李澍.飞行器虚拟维修关键技术研究与环境实现[d].南京：南京航空航天大学，2007.li shu. research on the key technologies for aircraft virtual maintenance and the implementation of virtual environment[d]. nanjing： nanjing university of aeronautics and astronautics，2007.
　　[2]杨宇航，李志忠，郑力.虚拟维修研究综述[j].系统仿真学报，2005，17（9）：2191-2198.yang yuhang， li zhizhong， zheng li. survey of virtual maintenance[j].journal of system simulation， 2005，17（9）：2191-2198.
　　[3]郝建平.虚拟维修仿真理论与技术[m].北京：国防工业出版社，2008.hao jianping. virtual maintenance theory and technologies[m].beijing：national defense industry press，2008.
　　[4]李斌.商用飞机虚拟维修训练系统关键技术研究[d].上海：同济大学，2011.li bin. technologies for commercial airplane virtual maintenance training system[d].shanghai： tongji university，2011.
　　[责任编辑：杨玉洁]