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摘要：虚拟仿真技术的发展为民机的维修性设计提供新的方法。针对虚拟仿真技术的应用需求，文章对其关键技术进行了研究，首先探讨了维修对象模型优化方法，然后阐述了虚拟仿真场景建模技术，最后分析了基于维修性分析的过程仿真技术。
关键词：维修性；模型处理；场景建模；过程仿真
民机维修性仿真是对民机的维修性设计结果进行评估，目的是验证由设计赋予民机的特性是否达到了规定的维修性要求，并及时将发现的维修性问题反馈到系统专业进行设计优化。维修性分析贯彻于民机研制、生产、试飞等过程的始终。为提高虚拟仿真分析效率，推广其在民机维修性设计领域的应用，本文将初步研究维修对象模型处理、场景建模、过程仿真等虚拟仿真关键技术。
1.模型处理
民机属于大型复杂产品，由于自身的复杂性，其数字样机包含了十几亿的三维网格。如果借助仿真技术进行维修性分析时，在内存中处理全部这些三维网格，普通电脑显然难以满足要求。交互式显示这些网格具有极大的挑战，对硬件设备提出了极高的要求。模型处理是在保持网格模型外观满足显示精度要求的同时，减少三维网格数量。模型处理的主要研究内容包括网格模型相似性度量、简化算子选择、简化策略设计等[1]。
对于维修对象本身，维修仿真过程中须进行各种维修操作，因此不能改变其各种设计约束数据，在满足显示逼真的前提下，适度降低模型精度，达到减少三角面片数目的。对于环境数模，采用与维修对象不同的简化方法。首先将环境数模按照不同视点的视域进行分组，并对各组数模进行缝合处理。缝合处理的过程是处理各数模间的约束关系，处理后的一组数模成为不可分割一个整体，且原有的内部关系均已消除，形成了一个“新零件”。其次对新零件作进一步简化，在满足显示逼真的前提下，降低模型精度。环境数模的简化改变了设计的本构关系，且不可复原，但很大程度上降低了模型的三角面片数。
2.场景建模
民机虚拟场景建模包括虚拟人建模、维修工具建模、地面支援设备建模等。
2.1虚拟人建模
人是维修操作的实施者，虚拟维修仿真效果很大程度取决于虚拟人的真实感。虚拟人是对虚拟环境中人体运动控制和人体行为控制研究的基础。在虚拟人建模中要充分考虑人体的各个约束，模型应具有完全铰接的手、胸、腰、肩和颈模型来准确的产生各种自然动作，在此基础上才能实现合理的人体运动控制和人体行为控制。
虚拟人是真实人在虚拟环境中几何特性、行为特性的表示。虚拟人有自身的几何模型，同时具备虚拟环境中的几何、时间属性，可以与虚拟环境进行交互，影响周围的环境[2]。
2.2维修工具、地面支援设备建模
在民机维修中，不同的紧固件或连接件的拆卸都有特定的维修工具，安装过程更为复杂，许多紧固件或连接件需要使用定力工具。民机作为大型设备，许多部位是维修人员无法直接实施操作的，因此需要借助不同尺寸、不同工作原理的地面支援设备。维修操作过程中，维修人员需要各种地面支援设备的辅助，实现对维修目标的接近等，帮助维修人员更好的完成整个维修工作。
由于维修工具和维修设备具有标准化特点，尤其是维修工具，很多是相同形状不同尺寸。为节省建模时间，减少工作量，利用CAD软件对维修工具和维修设备采用参数化设计。为了便于维修工具和地面设备模型的调用，建立相应的维修工具库及地面设备库。
2.3虚拟场景生成
虚拟场景生成是系统对维修对象、维修工具、地面支援设备、虚拟人、维修环境的集成。首先是维修环境的导入，维修环境是其它模型导入的参考；其次导入维修对象模型，须按照与维修环境的相对位置，对维修对象进行空间调整，以确定其在合适的位置；最后是导入虚拟人、维修工具和地面支援设备，针对具体维修任务，导入合适的虚拟人模型，从维修工具库、地面支援设备库选取合适的维修工具和地面支援设备。
3.过程仿真
维修性过程仿真由维修场景和虚拟人的行为来实现维修有关活动或过程的模拟，通过运动控制对虚拟人行为进行调整，仿真维修人员的维修行为；更新维修场景的状态，响应虚拟人行为仿真请求，仿真维修场景的约束运动，并实现维修场景自主运动仿真。维修过程仿真是维修活动在虚拟环境下的再现，是一个动态环境。
过程仿真是实现维修性分析的基础，包括两个部分：维修对象拆装规划和拆装操作。维修对象拆装规划是对维修拆卸过程的分析，包括对维修人员的身体指标、维修人员的数量、维修工具的种类和数量、维修设备的种类、拆装路径、拆装顺序的规划。
不同的维修对象，因位置、尺寸和重量等差异，所需的维修人员的身体指标不同，并且仿真过程需根据实际情况确定维修人员的数量。如维修人员需要保持身体直立操作，或者拆装对象尺寸较大，或者拆装对象重量大，都需要多名维修人员辅助操作者完成整个维修任务。如果是多人的维修操作，对不同人的维修任务需进一步规划，以便实现多人协同操作。
不同的维修对象在民机位置的不同、所用连接件、紧固件的差异，且每种连接件或紧固件的拆装所用工具都有严格规定，使得维修仿真前对维修工具和维修设备实施规划显得尤为重要。维修工具的规划包括种类、尺寸、数量的选择。
拆装路径规划涉及维修对象的接近方式。民机空间利用率非常高，使得维修人员的操作空间有限。因此良好的路徑规划有利于提高仿真工作效率和仿真效果。拆装顺序规划有利于提高仿真工作效率、仿真效果以及拆卸操作的合理性，任何结构、装置都有既定的拆卸顺序。拆卸顺序错误将达不到拆卸目的，甚至造成人为故障。
4.总结
基于仿真分析技术进行民机维修性设计分析和评估验证，不需要从实物上实现民机的维修性设计验证过程，从而克服了实物样机制造周期长，成本高，难以实施设计更改的不足。仿真分析技术为维修性指标中的可达性、维修操作空间等指标的分析和验证提供了可行的方法。在新型民机的方案论证阶段、初步设计阶段以及详细设计阶段等，提供了可行的分析、验证手段，为民机维修性的分析、验证方法研究开拓了思路，有助于民机维修性设计的修改和优化，从而降低民机的设计成本，提高民机的市场竞争力。
参考文献：
[1]张亚萍，熊华，姜晓红，等.大型网格模型简化和多分辨率技术综述.计算机辅助设计与图形学学报，2010，22（4）：559～568
[2]郝建平.虚拟维修仿真理论与技术. 北京：国防工业出版社，2008
作者简介：
李斌，上海飞机设计研究院四性与产品支援部，主要研究方向：民用飞机维修性设计。
关键词：维修性；模型处理；场景建模；过程仿真
民机维修性仿真是对民机的维修性设计结果进行评估，目的是验证由设计赋予民机的特性是否达到了规定的维修性要求，并及时将发现的维修性问题反馈到系统专业进行设计优化。维修性分析贯彻于民机研制、生产、试飞等过程的始终。为提高虚拟仿真分析效率，推广其在民机维修性设计领域的应用，本文将初步研究维修对象模型处理、场景建模、过程仿真等虚拟仿真关键技术。
1.模型处理
民机属于大型复杂产品，由于自身的复杂性，其数字样机包含了十几亿的三维网格。如果借助仿真技术进行维修性分析时，在内存中处理全部这些三维网格，普通电脑显然难以满足要求。交互式显示这些网格具有极大的挑战，对硬件设备提出了极高的要求。模型处理是在保持网格模型外观满足显示精度要求的同时，减少三维网格数量。模型处理的主要研究内容包括网格模型相似性度量、简化算子选择、简化策略设计等[1]。
对于维修对象本身，维修仿真过程中须进行各种维修操作，因此不能改变其各种设计约束数据，在满足显示逼真的前提下，适度降低模型精度，达到减少三角面片数目的。对于环境数模，采用与维修对象不同的简化方法。首先将环境数模按照不同视点的视域进行分组，并对各组数模进行缝合处理。缝合处理的过程是处理各数模间的约束关系，处理后的一组数模成为不可分割一个整体，且原有的内部关系均已消除，形成了一个“新零件”。其次对新零件作进一步简化，在满足显示逼真的前提下，降低模型精度。环境数模的简化改变了设计的本构关系，且不可复原，但很大程度上降低了模型的三角面片数。
2.场景建模
民机虚拟场景建模包括虚拟人建模、维修工具建模、地面支援设备建模等。
2.1虚拟人建模
人是维修操作的实施者，虚拟维修仿真效果很大程度取决于虚拟人的真实感。虚拟人是对虚拟环境中人体运动控制和人体行为控制研究的基础。在虚拟人建模中要充分考虑人体的各个约束，模型应具有完全铰接的手、胸、腰、肩和颈模型来准确的产生各种自然动作，在此基础上才能实现合理的人体运动控制和人体行为控制。
虚拟人是真实人在虚拟环境中几何特性、行为特性的表示。虚拟人有自身的几何模型，同时具备虚拟环境中的几何、时间属性，可以与虚拟环境进行交互，影响周围的环境[2]。
2.2维修工具、地面支援设备建模
在民机维修中，不同的紧固件或连接件的拆卸都有特定的维修工具，安装过程更为复杂，许多紧固件或连接件需要使用定力工具。民机作为大型设备，许多部位是维修人员无法直接实施操作的，因此需要借助不同尺寸、不同工作原理的地面支援设备。维修操作过程中，维修人员需要各种地面支援设备的辅助，实现对维修目标的接近等，帮助维修人员更好的完成整个维修工作。
由于维修工具和维修设备具有标准化特点，尤其是维修工具，很多是相同形状不同尺寸。为节省建模时间，减少工作量，利用CAD软件对维修工具和维修设备采用参数化设计。为了便于维修工具和地面设备模型的调用，建立相应的维修工具库及地面设备库。
2.3虚拟场景生成
虚拟场景生成是系统对维修对象、维修工具、地面支援设备、虚拟人、维修环境的集成。首先是维修环境的导入，维修环境是其它模型导入的参考；其次导入维修对象模型，须按照与维修环境的相对位置，对维修对象进行空间调整，以确定其在合适的位置；最后是导入虚拟人、维修工具和地面支援设备，针对具体维修任务，导入合适的虚拟人模型，从维修工具库、地面支援设备库选取合适的维修工具和地面支援设备。
3.过程仿真
维修性过程仿真由维修场景和虚拟人的行为来实现维修有关活动或过程的模拟，通过运动控制对虚拟人行为进行调整，仿真维修人员的维修行为；更新维修场景的状态，响应虚拟人行为仿真请求，仿真维修场景的约束运动，并实现维修场景自主运动仿真。维修过程仿真是维修活动在虚拟环境下的再现，是一个动态环境。
过程仿真是实现维修性分析的基础，包括两个部分：维修对象拆装规划和拆装操作。维修对象拆装规划是对维修拆卸过程的分析，包括对维修人员的身体指标、维修人员的数量、维修工具的种类和数量、维修设备的种类、拆装路径、拆装顺序的规划。
不同的维修对象，因位置、尺寸和重量等差异，所需的维修人员的身体指标不同，并且仿真过程需根据实际情况确定维修人员的数量。如维修人员需要保持身体直立操作，或者拆装对象尺寸较大，或者拆装对象重量大，都需要多名维修人员辅助操作者完成整个维修任务。如果是多人的维修操作，对不同人的维修任务需进一步规划，以便实现多人协同操作。
不同的维修对象在民机位置的不同、所用连接件、紧固件的差异，且每种连接件或紧固件的拆装所用工具都有严格规定，使得维修仿真前对维修工具和维修设备实施规划显得尤为重要。维修工具的规划包括种类、尺寸、数量的选择。
拆装路径规划涉及维修对象的接近方式。民机空间利用率非常高，使得维修人员的操作空间有限。因此良好的路徑规划有利于提高仿真工作效率和仿真效果。拆装顺序规划有利于提高仿真工作效率、仿真效果以及拆卸操作的合理性，任何结构、装置都有既定的拆卸顺序。拆卸顺序错误将达不到拆卸目的，甚至造成人为故障。
4.总结
基于仿真分析技术进行民机维修性设计分析和评估验证，不需要从实物上实现民机的维修性设计验证过程，从而克服了实物样机制造周期长，成本高，难以实施设计更改的不足。仿真分析技术为维修性指标中的可达性、维修操作空间等指标的分析和验证提供了可行的方法。在新型民机的方案论证阶段、初步设计阶段以及详细设计阶段等，提供了可行的分析、验证手段，为民机维修性的分析、验证方法研究开拓了思路，有助于民机维修性设计的修改和优化，从而降低民机的设计成本，提高民机的市场竞争力。
参考文献：
[1]张亚萍，熊华，姜晓红，等.大型网格模型简化和多分辨率技术综述.计算机辅助设计与图形学学报，2010，22（4）：559～568
[2]郝建平.虚拟维修仿真理论与技术. 北京：国防工业出版社，2008
作者简介：
李斌，上海飞机设计研究院四性与产品支援部，主要研究方向：民用飞机维修性设计。