集成化虚拟装配理论、方法及其在飞机总体布置中的应用

集成化虚拟装配理论、方法及其在飞机总体布置中的应用

论文摘要

由于飞机构造复杂,零部件和连接件数量大,飞机研制中装配和安装工作的劳动量占飞机制造总劳动量的50%60%。可见,良好的装配设计和装配性能,对保证飞机质量和可靠性,降低飞机成本和提高市场竞争力具有十分重要的意义。虚拟装配技术的出现,为解决飞机装配问题提供了一种强有力的手段。虚拟装配技术可以应用在飞机研制的许多阶段。在方案阶段,利用虚拟装配技术实现飞机总体布置,生成总体布置图;工程研制阶段,对于更加详细的零部件模型,应用虚拟装配技术得到更为真实的装配方案,为飞机设计提供依据;在生产定型阶段,生成符合生产实际的装配工艺及装配仿真动画等指导生产任务。大部分建立虚拟装配系统的方案为:在CAD中建模,再将模型导入虚拟装配系统,CAD系统与虚拟装配系统相互独立。这是一种信息单向传递方案,CAD系统中的设计工作可以传输到虚拟装配系统中,而虚拟装配设计结果难以及时反馈到其它设计活动中,虚拟装配系统容易成为信息孤岛。目前的虚拟装配技术正朝着集成化方向发展:一种集成方案为:直接在系统中通过三维操作和语音命令创建、修改、操纵和观察基于约束的模型,再进行虚拟装配,无须与其它CAD系统进行数据传输,这种方案使得CATIA、UG和ProE等传统CAD模型难以应用;另一种为:建立集成于CAD系统的虚拟装配系统,即“在CAD中增加VR功能”,直接在CAD系统上搭建虚拟装配环境,可直接继承和利用CAD成熟稳定的相关算法,但可扩展性不好,相关理论、技术也不够成熟。为避免虚拟装配系统成为信息孤岛,基于“在CAD中增加VR功能”技术路线,本文提出了一种集成化的虚拟装配方案:(1)建立了一个集成于CAD系统的虚拟现实环境,研究并实现了立体显示,数据手套的集成、虚拟环境中的交互技术和碰撞检测算法等内容。(2)提出了信息双向传递的VA-CADPIM模型,克服了传统虚拟装配系统和CAD系统之间难以双向交换信息的不足,能有效提高设计者进行产品装配设计与分析的效率。(3)建立了基于装配任务的虚拟装配工艺信息模型,存储虚拟装配操作过程中的工艺信息,能够有效地表达以装配工序为基础的装配过程,通过任务对象的交叉安装解决工序交叉和安装布置调整问题。(4)提出了装配约束识别方法,并给出了基于运动自由度分析的虚拟装配精确定位求解方法。(5)为满足系统功能要求,并以集成化、可扩展性,易移植性为目标建立了集成化的虚拟装配系统体系结构。(6)基于CATIA V5R14及其二次开发环境CAA自主开发了集成化虚拟装配原型系统IVADS,该系统能够完成虚拟场景浏览、虚拟装配规划和可装配性评价等功能,并给出了某飞机前机身电子舱的虚拟装配总体布置应用实例,验证了本文理论与方法的正确性与有效性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 图、表清单
  • 注释表
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 虚拟装配技术内涵及在飞机研制中的应用
  • 1.2.1 虚拟装配技术内涵
  • 1.2.2 虚拟装配技术在飞机研制中的应用
  • 1.3 虚拟装配技术的研究及其应用成果
  • 1.3.1 虚拟装配技术理论的研究现状
  • 1.3.2 虚拟装配技术的应用成果
  • 1.4 虚拟装配解决方案及研究内容
  • 1.4.1 技术路线的提出
  • 1.4.2 研究内容以及组织结构
  • 第二章 集成于CAD 系统的虚拟现实环境
  • 2.1 引言
  • 2.2 虚拟现实技术
  • 2.2.1 虚拟现实技术的概念及特点
  • 2.2.2 虚拟现实系统的分类
  • 2.2.3 虚拟现实系统的组成
  • 2.3 CAD 系统与VR 系统比较
  • 2.4 集成于CAD 的虚拟现实环境
  • 2.4.1 立体显示
  • 2.4.2 数据手套与CAD 系统的集成
  • 2.4.3 虚拟环境与CAD 环境的集成交互技术
  • 2.4.4 面向虚拟装配的碰撞检测算法
  • 2.5 本章小结
  • 第三章 信息双向传递的VA-CADPIM 模型
  • 3.1 引言
  • 3.2 装配模型内容
  • 3.3 虚拟装配信息模型的技术要求
  • 3.4 信息双向传递的VA-CADPIM 模型
  • 3.4.1 虚拟装配约束信息模型
  • 3.4.2 虚拟装配工艺信息模型
  • 3.4.3 虚拟装配碰撞检测模型
  • 3.4.4 虚拟装配立体显示信息模型
  • 3.5 虚拟装配信息模型的比较
  • 3.6 本章小结
  • 第四章 基于运动自由度的装配约束管理
  • 4.1 引言
  • 4.2 装配约束识别
  • 4.3 运动自由度分析
  • 4.3.1 几何约束与自由度的等价关系
  • 4.3.2 自由度归约
  • 4.4 虚拟装配精确定位求解
  • 4.4.1 定位操作过程中位姿变换
  • 4.4.2 精确定位求解
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 集成化虚拟装配原型系统IVADS 的设计、实现及应用
  • 5.1 引言
  • 5.2 系统概况
  • 5.2.1 硬件设备
  • 5.2.2 软件环境
  • 5.3 系统体系结构
  • 5.3.1 系统的需求分析
  • 5.3.2 虚拟装配系统的体系结构
  • 5.3.3 系统的信息流及运行原理
  • 5.3.4 系统工作流程
  • 5.4 系统开发模式及关键组件建模
  • 5.4.1 组件模型
  • 5.4.2 CATIA 组件模型
  • 5.4.3 系统关键组件设计
  • 5.4.4 系统建模的难点
  • 5.5 系统功能
  • 5.5.1 虚拟场景浏览
  • 5.5.2 装配规划
  • 5.5.3 装配规划仿真与路径优化
  • 5.5.4 可装配性评价
  • 5.6 飞机虚拟装配总体布置应用实例
  • 5.7 本章小结
  • 第六章 结论与展望
  • 6.1 结论
  • 6.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 在学期间的研究成果及发表的学术论文
  • 相关论文文献

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