航空发动机数字化装配仿真关键技术研究

2024年3月28日发(作者：得与失的感悟)

航空发动机数字化装配仿真关键技术研

究

摘要：随着我国航空事业发展得如火如荼，数字化技术也逐渐受到人们的重

视。本文主要阐述了飞机发动机装配中存在的一些问题，目前已经有一些可行的

装配工艺、工装结构和流水线布置方法，以确保装配的可行性，减少有关缺陷的

发生，并及时地检查装配工艺设计的合理性，优化装配工艺。

关键词：航空发动机；数字化装配；关键技术；可靠性研究

引言：为了改善发动机的可靠性、使用寿命和主要性能指标，在飞机发动机

生产的各个阶段，都必须致力于改进相关的装配技术和设备的质量。由于受到多

种人为因素的制约，使得常规手工制造的产品质量难以适应航空发动机的要求。

在此基础上，运用虚拟现实技术，对所设计的产品进行了三维建模，从而达到了

产品的可装配性和经济性。采用先进的数字化装配技术，改善飞机发动机的生产

效率，改善飞机的零部件质量，是飞机发动机生产技术发展的一个重要趋势。在

飞机发动机生产技术中，数字化装配具有以下优点：①可以有效地改善飞机发动

机的装配效率和产品的质量。为适应现代工业生产的高速发展，我国航空发动机

集中化的发展提出了新的要求。②在此基础上，对国内的数字化柔性装配技术的

发展起到了积极的推动作用。

1.航空发动机数字化装配的意义

飞机发动机装配包括零件装配和总装装配。有关的研究显示，飞机的装配费

用约为40%，装配工作时间约为50%，装配作业的实施是决定飞机引擎效能的关

键因素。为了确保飞机的正常工作，机匣、盘、轴、叶片、喷口等零件应具备精

确装配与联接、高同轴、平衡性能和稳定性；其次，空气、燃油及滑油等必须具

备良好的密封性和清洁能力；同时还需要各种附属设备和管道具有良好的抗振动、

抗磨损、绝缘等特性。由于飞机引擎各项技术性能、推重比、可靠性等技术指标

的不断提高，使得现有的装配技术很难适应飞机发动机研制方式的转变，目前所

面对的问题是：装配工艺设计及验证依赖技术人员经验和现场物理试装，须反复

迭代修改，生产周期长；采用人工装配，导致装配的精确度不高，生产效率提高

速度慢；由于人工因素的存在，导致了作业的可信度和装配品质的稳定性差，容

易出现错装、漏装等问题。数字智能化装配技术在欧美等发达国家中已经引起了

广泛的关注。航空装配已经从人工装配、半机械化/半自动化装配向自动化/数字

化装配发展，实现对航空装配的有效和高品质装配工作，实现智能化装配是必然

的发展方向。为了有效地解决飞机发动机的智能化装配问题，提高其装配技术的

技术含量，本文从装配工艺设计、装配工艺仿真、装配性能仿真等方面进行了探

讨。为了克服以上问题，本文对飞机发动机的数字装配过程进行了系统的分析，

并给出了其主要技术的研究和实现方法，以供参考。

2.传统发动机装配技术存在的问题

航空发动机的数字化装配技术是非常有效的方法。飞机引擎的装配费用约为

40%，装配工作时间占比约为50%。传统的飞机引擎装配技术的缺点有以下几个方

面：①由于人员操作的原因，容易出现错误，不能适应飞机发动机的实际需要，

不能保证装配工作的精度。②人工装配必然会造成人为误差，造成引擎精度下降，

严重时会影响引擎的正常工作，甚至造成引擎的损伤，危及人们的安全；③装配

工人的能力和技术水平的差异化，使装配工作出现了较大的偏差，同一机型由于

不同的人员装配而产生的装配问题，从而影响了发动机的工作效率；④容易导致

精密仪表的损伤。飞机引擎的装配精度高，对设备的装配水平有很高的要求。装

配技术对飞机发动机的品质和性能有很大的影响，采用数字化装配技术可以减少

飞机的错误率，提高引擎的工作效率和精确度。

3.数字化装配中的关键技术

如今，数字化技术的发展已超越了传统的制造技术，它把现代的信息技术和

传统的技术相结合，把计算机技术集成到设计、制造和生产中去。为确保高质量、

高效率和低成本的生产目标，使发动机生产的管理更能适应当今时代对高科技的

需求。

3.1虚拟装配技术

“虚拟”指的是首先对产品进行初步的理解，然后对产品的装配流程进行模

拟，这样可以提高装配的工艺和质量，同时也能检查装配的设计是否符合实际的

要求。能够及时地发现问题，尽早的修正模型，降低经济损失。虚拟装配系统的

装配顺序是设计者必须在前期工作就应当做好的，以实现航空飞行器自动化生产

的目的。在当今社会的高速发展中，装配速度的加快已成为必然，自动化、数字

化技术的发展潮流已势在必行。

3.1.1虚拟装配系统的建立

虚拟组态系统是一种能够指导产品设计和实际装配的虚拟现实系统。CAD系

统是在虚拟环境下向虚拟装配系统输入产品信息的。在整个运行过程中，需要借

助虚拟现实技术，通过坐标变换和碰撞检测等方法，最终将模拟结果输出到产品

装配模型中，制作过程动画。

3.1.2装配模型建模技术

在进行三维数字设计时，必须对其进行二次轻量化等一系列的加工。同时，

也要对部件等进行相应的规定。装配模型建模技术具有典型配体模型的优势，便

于用户进行交互操作。

3.1.3装配过程中的仿真技术

装配工艺模拟包括两个方面：可装配性分析与精确分析。首先要对其进行可

装配性分析，能够完成以下几个方面的工作：①对装配设计与运行的标准进行检

验，并在早期发现问题并进行修正。②检验装配顺序与路径的可行性，从而确定

最佳的装配路线。③对装配模具进行检验。采用容差分析技术对装配精度进行分

析，并对其进行精度分析。④在产品装配之前，可以对装配方式等因素的变化产

生的影响进行预测。在提高产品品质的同时，能够及时地检查质量。对产品的优

化设计有一定的借鉴作用。

3.2装配工艺过程数字化柔性设计

3.2.1实体建模技术

在虚拟装配时，要尽量减少装配故障事故的发生，使其保持在总体误差的范

围之内，同时要注意保持尺寸在控制范围内。

3.2.2工艺过程设计技术

针对内燃机装配工艺的特点，对其进行初步的设计，并将有关的信息引入到

系统中。通过建立相应的装配数据信息库，使制造流程实现自动化，从而降低人

工投入。

3.2.3基于形位公差的装配容差分析技术

采用适当的计算方法，对产品的容差和装配容差进行研究。一般情况下，两

个工件表面的匹配不受表面曲率和粗糙度的影响。在某一面的粗糙程度高时，接

触面可视为点面，此时应设定一面，增加两面的粘接率，以完成装配工作，此面

称为虚配合面。从以上可知，虚拟装配表面是一个更光滑的曲面，它反映了两个

曲面的结合程度。

3.3装配工艺中的可视化技术

装配工艺必须严格遵循装配工艺卡片的要求，而目前使用的纸质工艺卡片远

远不能满足生产的需求，纸质工艺卡片虽然便于查阅，但并不能实时地指导装配

生产。装配工艺分为多个工艺步骤，每一个工艺步骤都应当在前期的设计工作中

做好。在工艺设计中，先在系统中录入工艺节点，再将相应的装配动画加入到相

应的节点中，并进行制作最终的装配过程动画，通过这种可视化技术可以及时地

发展其中存在的问题，并及时总结相关的经验予以避免装配问题。

4.装配制造数字化

航空发动机装配生产的数字化技术，除了工装、装配工艺之外，还有装配管

理和装配检查等方面。装配生产数字化就是利用数字技术的优势，可以有效地提

高产品的质量和生产能力，提高产品的生产效率和产品质量。由于飞机发动机零

件数量多、复杂程度高，而且大多是非标准零件，难以精确控制，造成了飞机发

动机装配技术仍处于传统的人工作业、半自动装配模式，其装配精度主要依靠人

工识别。在装配和定位上，飞机发动机装配技术主要依靠刚性装配工装定位、划

线定位等技术，针对某特定型号的飞机，由于发动机型号变动，装配工装、装配

软件、设备等都要进行改装，从而增加了制造时间，导致发动机精度不能得到保

障。航空发动机集中化技术向数字化方向发展，由刚性定位向自动化、数字化方

向发展，提高了发动机集中化的效率。

柔性装配技术是航空发动机装配数字化技术的一种技术方法，它可用于不同

尺寸和型号零件的装配，以保证零件的装配精度。它包括数据采集、处理系统、

柔性工装技术等。柔性装配的测试技术。采用光学测量和补偿技术对装配进行检

测，采用激光跟踪等数字化测量系统对装配工艺进行监控，并对装配产品进行测

量，并确定有关的控制点（关键特征）的定位。数字化测量技术已从传统的计量

向监测和数字一体化发展。就装配数字化技术而言，正朝向着由单一向多元的技

术方向转变，以更好地提高装配工作的精度。利用数字化技术，能够实现从点到

面的目标，实现数字化装配技术的发展。

5.虚拟装配工艺仿真

利用计算机实现发动机的虚拟装配，并对装配工艺路径和装配顺序进行仿真，

从而避免了零件尺寸、工艺装备尺寸、装配顺序、装配路径等不合理因素引起的

干扰。利用人机工程学仿真技术，根据装配顺序、装配路径，实现虚拟人体模型

的控制，并能真实地模拟装配过程中人工操作在装配过程中的各种实际作业状况，

并对装配的可及性和可见度进行分析，并对其进行分析和评价，保证装配人员在

能够实现最佳的作业效果。波音公司将3D数字设计与模拟技术运用于787型号

飞机开发中，从而缩短了飞机装配流程的计划与出现变更的几率。洛克希德-马

丁（洛马）和普惠公司等军工企业，在虚拟装配技术的运用上，也获得了很大的

成功。在达索 DELMIA平台的基础上，对飞机装配工艺过程的虚拟仿真技术进行

了深入的研究和应用。我国国内学者目前对航空飞机发动机的低压涡轮组件进行

了相关的研究，结果表明，用数字模拟取代实物样机，可以对飞机的装配过程进

行合理性的检验，是一种快捷、高效的方法。复杂产品装配规划仿真系统可以实

现装配工艺设计、工艺路径模拟、装配过程图的自动生成，从而可以有效地提高

装配的成功率，从而减少装配成本造价。从现有的研究和实际应用中，可以看到，

为了优化工艺设计、缩短开发周期、节约成本，特别适合于新型号的开发和批量

生产。由于传统的三维数字模型在进行装配过程模拟时会产生大量的数据，这对

软件和硬件都有很高的要求，所以在装配工艺模拟中必须要注意和解决这个问题。

产品三维模型、模具模型、设备模型、人体模型是实现装配工艺路线和装配顺序

仿真、人机工程仿真等虚拟装配技术的基础。在数字化和智能化技术的发展中，

智能装配技术的应用越来越广泛。因此，波音公司将这项技术运用到航空发动机

的装配工作上，使人工的装配线误差减少50%左右，生产周期减少25%，GE、赛

峰等公司也将这项技术用于航空发动机的装配工作中。在此基础上，研制了一套

基于混合现实技术的智能装配系统，并对其在航天领域的应用进行了实践，从实

践的结果来看，目前有着较为出色的应用，该项技术可以为我国的航空发动机装

配工作提供一定的见解和借鉴。

6.结束语

发动机的数字化装配技术的全面推广，极大地提高了发动机的装配和制造效

率，使国产发动机的自主研发能力得到了极大的提升。本文认为，将数字技术运

用到飞机发动机的设计中，将会为我国的航天事业健康发展打下坚实的基础和保

障。

7.参考文献

［1］王普，张光星，张姿，张晓东.我国航空发动机数字化设计/制造/管理

技术现状及其发展［J］.航空制造技术，2005（10）：24-25

［2］徐延锋.航空发动机装配数字化关键技术研究与实现［D］.西安：西北

工业大学，2006.

［3］薛文涛.数字化装配建模技术研究［D］.南京：南京理工大学，2004