数字化技术在起落架维修中的应用

顾兴龙 陈昊航 陈文涛 毛嘉元 甘辉勇

（中国民用航空飞行学院，四川 德阳 618307）

0 引言

随着航空工业的快速发展，飞机的运营维护显得更为重要。如何高效经济地完成维修任务，是各大航空公司一直追求的目标。起落架作为飞机的重要部件，对其维护有着全面系统的要求，必须要按照维护手册对其进行严格地维护。由于前期的培训工作耗时长，导致机务人员的工作强度很大。

数字孪生（digital twin，DT）是以数字化方式来创建物理实体的虚拟模型［1］，具有实时同步、忠实映射、高保真度等特性，能促进物理世界与信息世界的交互与融合，从而为物理实体增加或拓展新的能力［2-4］。

本研究拟探究数字化技术在起落架维修中的应用。针对飞机起落架维修过程中受限于时间和人力、缺乏可持续性的问题，本研究利用UG NX软件对起落架进行建模，并在Inte3D软件中对起落架的虚拟装配工艺过程进行仿真。

1 数字化装配工艺体系

笔者基于对数字孪生体系的认知，结合飞机的研制装配过程，对其在虚拟空间、物理空间及二者间的交互进行分析，建立面向飞机产品的多尺度仿真模型。针对物理空间的产品装配过程，要获得数字空间实时传递的装配工艺指令，如相关工艺准备数据的确认，要实时反馈实际装配过程中现场出现的问题。此时，信息交互接口提供了两个空间实时状态的反馈通道，并形成基于数字孪生的装配工艺应用体系架构。

本研究主要运用生产数字孪生和性能数字孪生对飞机起落架的拆装维护过程进行路径规划，并通过仿真进行优化和分析，从而得到更好的维修方法。通过对起落架上的部件参数进行仿真，维修人员很容易发现在使用和维修过程中需要改进的地方。

2 飞机维修过程中的问题

飞机机轮组件是飞机起飞和着陆的关键部件，其要承受着巨大的交变载荷和瞬时的刹车高温，且其所处的工作环境十分恶劣。作为飞机上的重要部件，机轮的维护与修理有着很高的要求。

长期以来，传统的飞机维修培训是以书本或实物进行讲授、演练为主，训练内容和手段单一，训练效果不明显。在实践过程中，传统的维修培训存在极大的局限性，主要有以下三点。①无重复性。②培训环境受限，维修人员要在同一时间、同一地点接受同样的培训内容。③学员在培训过程中受设备、工具、环境等因素的制约［5］。

2.1 机务维修人员的水平不高

民航飞机是由成千上万个零件组成的高精密飞行器，维修飞机是要有非常高的维修技能。在现实中，民航飞机在机场停留的时间非常短，一般情况下没有充足的时间对其进行整体排查［6］。此时就体现出高水平维修人员的重要性，如果维修人员的维修水平不高，就只能通过常规手段对民航飞机出现的故障进行判断，很难做到精准定位，导致一些微小的损伤被忽略。这种故障检测方式无法快速、全面地找出民航飞机存在的安全隐患，从而导致故障发生的风险增加［7］。

2.2 维修培训时间紧张

取得147执照资质后，才能参与民航飞机的维护工作。学员除了要接受系统的理论课外，还要完成较长时间的技能实操。对要等待培训的大量学员来说，无疑会增加其学习成本。某些项目因学习安排错开较久而导致学员将其遗忘。

针对现有实训平台中存在的弊端，在实训教学过程中引入数字孪生技术，通过数字孪生技术对现实世界中遇到的情景进行模拟仿真，在很大程度上能解决各种问题［8］。

3 起落架装配工艺过程仿真

机轮是飞机着陆系统中的重要组成部分，承受着上百吨的起飞高速滑跑和降落时的冲击载荷。机轮组件与飞机的刹车装置是直接接触工作的，其工作环境很差。因此，从飞机上拆下后，发现机轮组件很脏，积碳、液压油、滑油附着在上面。对新员工来说，维修难度往往较大。对维修厂的师傅来说，每天要面对的机轮种类不同，采用的维修方案也不同。可通过将不同的维修方案预先做好虚拟仿真，在进行维修前，维修师傅可指导学员进行学习，从而提高工作效率。

3.1 起落架模型

根据某型飞机起落架的模型和结构参数，在UG NX软件中进行零部件的创建及组装，装配模型如图1所示。

图1 某型起落架装配模型

3.2 起落架拆解步骤

飞机维修应严格按照手册中的要求，操作专业设备进行检查。某型号起落架维修手册中的拆解步骤如图2所示。

3.3 创建虚拟装配

先将起落架装配模型导入到Inte3D软件中，将模型统一转化为轻量化的.ivp格式，装配结构如图3所示。在图3所示的“装配结构”树中，能看到完整的起落架所有零件的装配关系。对由几个小零件组成的部分，可通过“分解零部件”将其分解成最基本的组成部分。根据图2所示的起落架拆装步骤，将起落架分解为轮轴螺帽、轮毂、轮子、轮轴、轮轴螺帽、减震支柱等装配结构。

图2 起落架拆解步骤

图3 装配结构

在“装配过程”中新建步骤1，并将其命名为“机轮装配过程”。在装配过程中，将要拆装的部分添加到步骤。对步骤1中的各部分零件进行调整光源和上色，使各部分零件的对比增强，便于观察装配过程。根据工卡步骤，按照顺序对部件进行拆解，如图4所示。通过“装配过程”菜单来创建路径规划，再用平移、旋转等指令对部件的运动进行约束。

图4 装配过程

一个路径规划即表示一个拆解过程，如图5所示。根据具体情况，可添加一定的“工具活动”，用于辅助拆解。对一些比较小的零件，可在拆解前添加“闪烁活动”，用来提醒使用者接下来将对闪烁部分的零件进行拆解。同时，对每一个路径规划都可添加“视角活动”，以便在拆解不同零件时可从最佳角度去观察。

图5 机轮拆解

新建步骤2，并将其命令为“爆炸图”。将步骤1“机轮拆解”的装配对象复制粘贴到步骤2中。在步骤2的目录下，框选全部零件，选择“线性爆炸”命令，并拖动零件，使其中间部分向两侧散开，要注意各零件不能遮挡。在“技术图解”工具栏中，选取“标签”对机轮的每部分进行详细的标注，将标签属性中的自动对齐方式改为“自由3D”，此时标签就会随部件的移动而相应移动。在“技术图解”命令中，选择“定义BOM表头”，修改表格的表头和长度等格式。选取“BOM表格”来填写表内容，对部件的物料名称和材料进行标注，BOM表格见表1。

在完成整个机轮的“机轮拆解”和“爆炸图”后，右击装配过程，弹出“装配仿真”，即可看到整个机轮装配的动画仿真过程。

3.4 输出仿真文件

在“输出”工具栏下选择“视频”，即可得到“装配”或“拆卸”过程，输出的拆装视频如图6所示。在动画输出中可选择整体输出或单步骤输出，并选择一个适合观看的帧数。除了视频外，还可选择输出3DPDF、Inte CAPP卡片等。

图6 输出视频

4 培训应用

针对某型飞机起落架，根据维修手册中的拆解步骤，建立该型起落架装配工艺过程的仿真模型。在Inte3D中将该模型分解为7个装配结构，对每个结构添加详细的标签，并建立对应的路径规划，对重要的拆解步骤添加辅助拆解工具或重点强调，输出对应的BOM表格、装配仿真动画。该装配工艺的过程仿真已应用于部分学员班级中，进行试点教学。教学内容包括起落架模型创建、飞机维修手册解读、起落架虚拟结构拆解、起落架虚拟装配过程创建、BOM表格创建、CAPP工艺卡片创建和虚拟装配工艺过程动画文件创建等。

起落架装配工艺过程仿真试点教学取得了良好的教学效果。试点班级的学员通过培训对起落架的基本结构有了更直观地认识，其能根据机型飞机维修手册对维修工艺过程进行总结，完成起落架虚拟装配工艺，并输出相应的BOM表格、工艺卡片和仿真动画。通过工艺卡片和仿真动画来进一步加深学员对起落架维修过程的理解。

起落架虚拟装配工艺培训项目降低了对维修人员培训教员的维修水平要求，同时将教员与学员的比例从1∶8提高到了1∶30。通过虚拟装配工艺卡片和仿真动画的重复性演示，能有效节约维修人员的培训时间。

5 结语

航空公司拥有的机型种类多，涉及对不同种类的起落架维修。运用数字孪生技术能提前将要维修的起落架模型导入系统，并对装配工艺过程进行仿真。根据维修手册来严格制定起落架的装配和拆卸工艺，这些步骤可在软件里实现可视化模拟，并通过多向演示来增加维修现场的直观性，便于对同一项目进行多次反复训练，大大缩短维修培训时间，提高培训效率，节约成本。