基于DELMIA的民机内饰虚拟维修仿真与评价方法_陈登凯.pdf

第 44 卷 第 14 期 包 装 工 程 2023 年 7 月 PACKAGING ENGINEERING 73 收稿日期：20230207 基金项目：中央高校建设世界一流大学（学科）和特色发展引导专项资金项目（22GH030706）；陕西省特支计划领军人才项目（W099115）；陕西省特支哲社领军项目（D5113200021）作者简介：陈登凯（1973），男，博士，教授，主要研究方向为工业设计、人机工程学、产品创新设计。通信作者：王瑶（1999），女，硕士生，主攻人机工程学、布局评估。基于 DELMIA 的民机内饰虚拟维修仿真与评价方法 陈登凯，王瑶，敖卿，钱军（西北工业大学 工业设计与人机工效工信部重点实验室，西安 710072）摘要：目的目的 针对传统民机内饰维修困难且成本大的问题，构建民机虚拟维修仿真与评价体系，提出基于 DELMIA 的虚拟维修仿真与评价优化方法。方法方法 首先对维修任务仿真动作进行分解，并对维修操作阶段进行划分，根据不同阶段动作进行特性分析，完成操作区的划分；其次针对不同区域再次进行维修动作类型的划分，按照不同类型分别进行虚拟仿真操作；再次基于 DELMIA 仿真结果中提取的关键帧进行各指标分析，得到单项评估的结果；最后基于 MATLAB 平台完成上述多种人机因素的综合评估权重向量并计算出各关键帧结果，输出人机工效综合评估可视图和报告，给出可优化方向。结果结果 依靠项目支撑对某型号民机内饰行李箱维修仿真进行案例验证，表明该方法能够系统地完成民机内饰典型部件的维修仿真分析任务，并给出明确的维修优化方向。结论结论 新方法体系的提出有助于民机内饰虚拟维修仿真的效率及综合评估可靠性的提高。关键词：民机内饰；虚拟维修；仿真分析；综合评估；人机工效 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)14-0073-10 DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.14.007 Simulation and Evaluation Optimization Method of Civil Aircraft Interior Virtual Maintenance Based on DELMIA CHEN Deng-kai,WANG Yao,AO Qing,QIAN Jun(Key Laboratory of Industrial Design and Ergonomics,Ministry of Industry and Information Technology,Northwestern Polytechnical University,Xian 710072,China)ABSTRACT:The work aims to propose a virtual maintenance simulation and evaluation optimization method based on DELMIA to construct a virtual maintenance simulation and evaluation system for civil aircraft so as to solve the difficulty and high cost of traditional civil aircraft interior maintenance.First,the maintenance task simulation actions were decomposed and the maintenance operation stages were divided,and the characteristics of the actions in different stages were analyzed to complete the division of the operation area.The maintenance action types were divided again for different areas,and virtual simulation operations were performed according to different types.The evaluation was based on the key frames extracted from the DELMIA simulation results to analyze the indicators to obtain the results of single evaluation.Finally,based on the MATLAB platform,the comprehensive evaluation weight vector of the above-mentioned various ergonomic factors was completed,the results of each key frame were calculated,the visual diagram and report of the comprehensive evaluation of ergonomics were output,and the optimization direction was given.The case verification of maintenance simulation of a certain type of civil aircraft interior luggage based on the project support showed that the method can systematically complete the maintenance simulation analysis task of typical interior components of civil aircraft,and give a clear maintenance optimization direction.The new method system is helpful to improve the efficiency and comprehensive evaluation reliability of civil aircraft interior virtual maintenance simulation.74 包 装 工 程 2023 年 7 月 KEY WORDS:internal components of civil aircraft;virtual maintenance;simulation analysis;comprehensive evaluation;ergonomics 虚拟维修技术是一种可靠性高、不受空间和场地的限制、可多次反复使用、成本较低的技术。从国内发文机构来看，对虚拟维修研究较多的主要是中国石油大学等院所，能够应用于民机维修等很多领域。因此，许多国家都高度重视虚拟维修技术的发展1-2。虚拟维修技术的广泛性应用，不仅有助于产品维修工作，还覆盖了产品全生命周期的各个阶段3。在民机中，飞机内饰结构的维护是飞机内饰设计不可或缺的部分。传统的维修方法存在耗时耗力的缺点，而虚拟仿真技术的应用能够高效地完成飞机内饰结构的安装、拆卸和维修工作。虚拟维修技术是民机维修评估的重要技术手段之一。它基于现代技术，在虚拟环境中模拟维修过程，还能够评估维修时的可视域、可达域维修时间及维修难易度等因素4。从维修人员的角度出发，虚拟维修技术不仅能够提高维修人员的作业效率，还能提升维修人员的舒适度及操作的便捷性。通过对具体飞机内饰维修过程中的维修行为动作进行全面分析，虚拟仿真技术还能提高仿真的可靠性和准确性，从而在实际维修中得到应用。本文以构建民机虚拟维修的仿真及评价体系为出发点，提出了一套虚拟仿真及人机工效综合评估方法。通过实例验证，展示了基于 DELMIA 的民机内饰虚拟维修仿真及评价方法的创新性。该方法为民机内饰的维修任务提供了一种新颖的仿真及评价方法，并为后续民机内饰的维修保障分析和维修辅具设计等工作提供了基础数据和指导。1 民机内饰虚拟维修理论与方法 民机内饰工程维修技术研究根据当前内饰工程维护的现状、不足及趋势，提出针对民机内饰工程维修及评估方法，主要针对内饰中各个模块化部件进行研究。结合国内外相关文献，发现关于民机维修的关键技术可以分为维修任务仿真技术及维修任务评估技术两大类。对民机内饰维修而言，其工程维护综合评价指标体系主要包括维修作业舒适度、维修操作过程评估以及维修适航评估。相对于其他维修任务，民机内饰维修对维修人员体力负荷、作业姿势、作业布局、维修件、维修通道操作的可行性有更高的要求。此外，民机内饰维修更加注重标准化、互换性及模块化这三个方面的适航性评估。1.1 虚拟维修仿真理论 目前，虚拟维修的主要方法是基于虚拟维修模型、资源、场景，根据仿真方案完成仿真5。在仿真场景中，常使用 DELMIA 软件进行虚拟维修仿真，该软件支持任务行为的建立，能够实现连续的动作仿真，并完成各种分析任务，因此被广泛认可作为可靠的虚拟维修平台6。国内外学者在虚拟仿真维修方面进行了大量的研究，其中 Numfu 等7、Ronan 等8借助第三方系统捕捉动作数据，实时驱动虚拟人进行仿真，但该方法收到精度及硬件性能的限制。徐丙立等9、Deng 等10通过采集真实动作的数据，建立参数化模型来生成人体动作，以实现仿真，但该方法存在对象的约束。此外，爱荷华大学 Vujoservic 等11提出维修任务分解的思想，将维修作业进行不同层次的分解，以便于维修仿真。类似地，李星新等12借助人因工程中动素的分类方法及维修操作仿真，建立维修动素库，以便于维修数据的提取。1.2 虚拟维修评估方法 随着技术的飞速发展，民机的功能变得越来越多样化，同时也变得更加复杂。它们逐渐呈现出高技术、大风险、高要求的特点13-14。尽管装配自动化程度提高，但在没有人参与下，仍然无法实现全自动化工作。为保证正常运行，仍需要操作人员的参与来保证操作的有效进行。然而，现代维修作业中维修人员需要承担潜在的设计、制造及安装缺陷，同时受到维修空间的限制，容易产生巨大的生理疲劳和心理负担。因此，维修性评估的主要对象是维修人员。通过使用人机工效学的理论知识，可以确保维修工人在民机维修的设计中能够高效、安全和准确地开展维修活动。虚拟维修评估的主要出发点是视野可见性、维修操作可达性、安全性和舒适性等方面。Lu 等15很早就基于虚拟环境下民用飞机维修评估的方法和技术进行了研究，并提出了分析评价结果和修改建议。周栋等16建立的维修安全评估模型可对潜在的安全影响因素进行分析预测，此外，许多研究人员还基于仿真环境开展了维修性评价方法的研究17-18。对现有的维修操作人机工效评估流程，通常是通过设定虚拟人维修操作位置，并定义一些典型的维修操作姿态，然后对每个姿态下的人机因素进行分析。然而，这些方法往往只对单个指标进行分析，并没有考虑到在实际维修中多个指标综合分析的可靠性提升。此外，维修任务是一个动态的多姿态过程，应该综合考虑各个姿态，进行综合评估，以提高维修综合评估的可靠性。2 民机内饰维修仿真及评估流程 本文提出了一种民机内饰虚拟维修仿真及评估方法，具体流程可分为以下 5 个步骤，见图 1。第 44 卷 第 14 期 陈登凯，等：基于 DELMIA 的民机内饰虚拟维修仿真与评价方法 75 图 1 民机内饰维修仿真评估优化流程 Fig.1 Civil aircraft interior maintenance simulation evaluation and optimization process 1）依据民机内饰的基本维修作业分解思想，对民机维