1、西安航空职业学院毕业论文结合 IC.IDO 的航天运载器数字化结构设计与虚拟训练方案姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：当前，航天运载器研制与生产数量大幅增加，型号转型升级不断加快，产品研制周期与质量要求不断提高，这与严重依赖实物样机研制模式的矛盾日趋突出。本文结合近年来快速发展的数字化技术，提出了一套结合 IC.IDO 可视化决策平台，深度融合虚拟验证技术，以 PDM 为数据管理核心的航天运载器数字化结构设计与虚拟训练方案。通过对方案中结构设计仿真分析与验证，设计工艺异地协同以及虚拟训练等核心功能的分析，阐明并初步验证了方案的可行性与合理性，为后续面向运载器
2、全生命周期的数字化结构设计提供了可行的技术途径。关键词：可视化决策平台，运载器，数字化结构设计，虚拟训练1 概述在传统航天运载器研制流程中，设计人员很难全面考虑生产加工及装配的工艺性，而工艺人员及操作技师又难以了解整体设计思想；同时，由于运载器设计是系统级工程设计，单一设计人员无法完成这个运载器的设计过程，往往需要数十、甚至数百人同步协同进行工作，在问题协调上往往不能面面俱到，因此形成了深度依赖实物样机的研发模式。现阶段我国航天事业正在蓬勃发展，仅 2016 年我国就发射运载器 22 次 1。当航天产品前面临着型号研制和批生产数量大幅增加，发射试验任务空前繁重、转型升级不断加快、竞争愈加激烈的
3、新形势 2。通过设计工作全面提升运载器的产能，减少协调试验性质的物理样机，加快型号验证进程，缩短研制周期，满足航天产品高质量需求，成为产品需求及技术发展的趋势之一。虚拟现实（Virtuai Reality，VR）以计算机技术为核心生成与真实环境近似的数字化环境 3。应用 VR 技术能够实现“设计-分析-改进”的闭环迭代 4。国外方面马歇尔太空飞行中心、洛克希德马丁空间系统公司、NASA 等都已将 VR 技术应用于航天产品中 5，如 NASA在阿斯顿型火箭研制中较传统模式减少了 25%的工作量 6。航空方面，波音 777 采用 VR 技术，修正了 2500 多处干涉问题，设计更改和返工率减少了
4、50%以上，装配时出现的问题减少50%80%7。赛峰短舱公司利用 VR 技术基于 A330neo 飞行短舱项目技术升级，使项目工期减少 18 个月 8。国内方面由于 VR 内容较稀缺，形式较为单一 9，在航空航天产品领域以综述性研究 5,8,1012或试验技术研究 13为主，鲜有研究人员基于 VR 技术手段，利用系统级虚拟样机走通结构设计全过程。本文结合 IC.IDO 可视化决策平台，面向航天运载器，深度融合虚拟验证技术应用，将借助于图纸、样机逐步完善产品的研发方式过渡到利用虚拟样机和虚拟装配来辅助产品设计的阶段，构建结合 IC.IDO 的运载器数字化结构设计与虚拟训练方案。2 方案构建搭建运
5、载器数字化结构设计与虚拟训练方案需要以 PDM（Product Data Management）产品数据管理为核心，结合 IC.IDO 可视化决策平台，基于系统级虚拟样机贯穿结构设计全过程，形成全生命周期闭环回路。在产品全生命周期中，通过可视化决策平台能够将初期产品三维设计阶段设计及仿真分析验证，中期生产实现阶段设计工艺异地协同，后期产品交付维护阶段虚拟训练建立联系，将结构设计工作贯穿于产品整个生命周期中；将严重依靠设计师及实物样机串行的研制模式转变为通过虚拟样机实现将设计、工艺、操作乃至项目、计划、采购多人协调并行的研制模式。运载器数字化结构设计与虚拟训练方案流程如图 1 所示，将二维结构设
6、计方案转化为三维数字化样机后，通过 PDM 系统存储，在设计端进行结构设计及仿真分析验证，经过反复迭代修改形成设计端最终方案下发至工艺端，工艺人员可就具体问题与设计师进行异地协同反馈，达成一致后产品进行生产装配从而形成运载器型号产品；产品交付后，设计端仍要对产品维护、储存、延寿以及处理突发时间起到决策作用，同时能够通过虚拟训练保障用户能够实现客户级的分解再装，维修更换。P D M 系统3 D 设计软件数字化样机结构设计方案结构设计及仿真分析验证产品生命周期演进设计问题 ？回传更改是否回传下发回传更改工艺端异地协同反馈发现问题 ？是生产装配否工艺问题 ？工艺更改否是型号产品维修 、 维护 、人员
7、培训虚拟训练可视化虚拟决策平台图 1 数字化结构设计与虚拟训练方案流程3 结构设计仿真分析与验证在型号研制方案设计阶段，设计师需完成自己在型号生命周期中的大部分工作，优秀的设计工作能够有效的提高产品质量、缩短研制周期、提高产品效费比。综合利用可视化决策平台，基于运载器结构数字化样机完成设计分析和验证，快速进行设计验证更改过程迭代，能够切实提高结构设计质量，同时降低对实物样机依赖。实现运载器小闭环、高质量、快迭代的研制流程，如图 2 所示。结构设计仿真分析与验证手段集中于 6 个方面，即：1）静、动态干涉性检查；2）安装接口协调性检查；3）柔性线缆仿真；4）机构运动仿真与分析；5）人机工程（操作
8、可达性、可视性和舒适度） ；6）装配工序规划与装配验证。运载器结构虚拟样机结构 设备干涉 性和接口协调性检查机构运动仿真柔性体仿真 分析高装填舱段装配工艺规划 和验证沉浸环境下 人机交互 式工艺验证 和评估总装 工作 流程 动态验证 和评估P D M 系统基于 3 D 设计软件建立运载器结构数字化样机导入修改结构数字化样机导入是否发现设计问题是转化三维下厂（ 工艺签审 ）否图 2 结构设计仿真分析与验证流程同时，由于运载器设计是系统级工程，单一设计师无法对总体设计全面深入的理解；并且不同设计师对于同一产品的设计理念也存在差异，传统研制模式下，大部分协调更改均需在物理样机出现后进行，有时会严重影
9、响产品生产周期，造成资源极大浪费。通过虚拟环境能够实现多人同时进行设计评估；另一方面，在虚拟环境下，结合实物模装比对，虚拟仿真结果得到进一步验证，充分证明了运载器虚拟仿真验证工作的有效性，如图 3 所示。图 3 基于实物的虚拟仿真结果验证4 设计工艺异地协同三维模型下厂后，工艺端需要进行总装工装、架车、吊具结构设计协调，总装对接流程工艺方案编制等。随着制造全球化进程日益加深，运载器生产方分布于全国各地，即使是同城设计方与生产方随时沟通协调也受地理位置的影响；利用异地协同软件平台，可实现多人、实时、在线，对同一模型对象进行沉浸式交互协同，重点、难点装配工艺方案在线评估，使远程双方达到面对面沟通协
10、调体验，降低协调成本，有效提升设计工艺协调效率和质量；实现运载器跨地域、大协同、低成本、高效率的协调反馈模式，如图 4 所示。 总装工装附件三维设计确定最终运载器结构设计方案三维下厂 （ 总装厂三维工艺签审 ）异地协同平台导入设计工艺异地协同结构虚拟样机导入是否发现问题发现设计问题否修改结构数字化样机修改总装工具附件三维设计发现工艺问题导入图 4 异地协同反馈模式5 虚拟训练在商业航天日益兴盛的航天领域，设计师不仅需要在设计、制造领域发挥作用，对于产品前期竞标、后期维修维护都发挥着举足轻重的作用。虚拟训练方式，如图 5 所示，能够将设计及总装相关人员从大量的重复性训练劳动中解放出来，利用 “数
11、字化+虚拟现实”相结合的技术手段，结合客户需求建设运载器虚拟训练系统，实现理论培训从纸质化向数字化和多媒体化发展，从实装训练向虚拟和实装训练相结合的新型训练系统转变，以提升商业及外贸服务和保障能力，进一步提升运载产品竞争力。输出基于 3 D 模型建立结构数字化样机结构虚拟样机技术阵地分解再装典型故障维修更换关键设备装配工艺移动终端客户端沉浸式系统训练动画虚拟样机多媒体理论培训多人训练系统单人训练系统客户端头戴式系统虚拟样机开展虚拟训练内容制作导入图 5 虚拟训练方式在桌面式虚拟装配软件环境中，依据技术阵地分解再装工作流程，利用人机工程、刚体和弹性体仿真等模块功能，形成分解再装操作动画，添加文字
12、注释和音频解说，制作为多媒体理论培训教程。导入便携式移动终端，可为技术阵地分解再装实装过程提供即时、直观操作指导。利用单人沉浸式 VR 模块及头盔式硬件外设的单人训练系统，能够实现 360全视场真实操作；移动便携，适用于不同场景需求。多人训练系统则在沉浸式环境下，多人同视角，便于技术培训实施。6 结论航天运载器由于其设计、生产和装配链路长、环节多，操作规范化、标准化要求严，工作效率和安全性要求高等特点，结构设计一个微小疏忽也可能造成系统性损失。结合 IC.IDO可视化决策平台，以 PDM 为产品信息管理核心，建设结合 IC.IDO 的运载器数字化结构设计与虚拟训练方案，在航天产品研制、总装装配
13、、维修服务全生命周期，使真实产品与虚拟样机之间的链接变得更加可靠、高效和直观，实现可视化、集成化和智能化设计，打造全新产品研制模式实现在效率和质量方面的显著提升，将具有现实价值和重要意义。参考文献1龙雪丹,刘畅, 文朝霞等 2016 年国外航天运载器及弹道导弹发展回顾J, 导弹与航天运载技术,2017,01:59.2庄国京, 杜刚, 韩天龙.航天产品工程实践的思考J,质量与可靠性,2016,02: 1114,18.3肖田元. 虚拟制造M. 北京: 清华大学出版社. 2004 : 11 16.4姚雄华, 李磊, 张杰.虚拟现实技术在飞机设计中的应用J.航空制造技术,2013(3): 67-70.
14、5赵博, 刘凤财, 向彩霞.航空航天虚拟装配和虚拟维修进展综述J,导弹与航天运载技术,2016,05:5357.6李洁.虚拟人及其在某型武器维修训练系统中的应用研究D.南京:南京理工大学, 2010.7苏新兵, 张登成, 王金平.虚拟制造技术在飞行器设计中的应用J.现代制造工程, 2007(2): 127-129.8刘春, 郭大鹏. 虚拟制造技术在飞机设计与制造中的应用J.航空制造技术,2017,21:3438.9赵沁平,周彬,李甲等.虚拟现实技术研究进展J.科技导报,2016,34(14)7175.10宋铁牛.虚拟技术在航天产品研制中的应用前景J.现代防御技术,2004.10,32(5)69
15、72.11宁志鹏,杨晶.虚拟制造技术在航天器制造中的应用综述C.航天科技集团公司数字化制造论坛,2011:440446.12崔善君,谈敦铭,赵罡. 虚拟现实航天仿真技术研究J.图学学报.2012.2,33(1):8086,3013张正平,邱吉宝,王建民等.航天器结构虚拟动态试验技术新进展J.振动工程学报,2008.6,21(3)209222.致 谢在本次论文设计过程中，感谢我的学校，给了我学习的机会，在学习中，老师从选题指导、论文框架到细节修改，都给予了细致的指导，提出了很多宝贵的意见与推荐，老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。这篇论文是在老师的精心指导和大力支持下才完成的，感谢所有授我以业的老师，没有这些年知识的积淀，我没有这么大的动力和信心完成这篇论文。感恩之余，诚恳地请各位老师对我的论文多加批评指正，使我及时完善论文的不足之处。谨以此致谢最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅的各位老师表示衷心的感谢。
