雷達(dá)結(jié)構(gòu)協(xié)同建模與仿真技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)*

劉炳輝，杜振勇，梁震濤

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

雷達(dá)結(jié)構(gòu)協(xié)同建模與仿真技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)*

劉炳輝，杜振勇，梁震濤

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

在協(xié)同研制模式下，分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模與仿真工作可并行開(kāi)展，但由于缺乏制定仿真建模規(guī)范等原因，目前大部分產(chǎn)品仍采用傳統(tǒng)的串行封閉式建模與仿真模式。為提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，需要開(kāi)展對(duì)協(xié)同建模與仿真技術(shù)的研究。文中結(jié)合雷達(dá)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域聯(lián)合建模與仿真的特點(diǎn)，分析了協(xié)同建模與仿真的現(xiàn)狀與技術(shù)難點(diǎn)，重點(diǎn)探討了協(xié)同建模與仿真流程、協(xié)同仿真建模規(guī)范、協(xié)同建模與仿真架構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)分析結(jié)果給出了雷達(dá)結(jié)構(gòu)協(xié)同建模與仿真技術(shù)實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了基于共享模型的緊密集成與協(xié)同。

雷達(dá)；協(xié)同建模與仿真；建模規(guī)范

引 言

雷達(dá)工業(yè)是我國(guó)的戰(zhàn)略工業(yè)，包含眾多學(xué)科、專(zhuān)業(yè)，需要不同部門(mén)與分系統(tǒng)協(xié)同配合。為了滿足國(guó)防需求和參與全球競(jìng)爭(zhēng)，要求在雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核心技術(shù)上有所突破和發(fā)展，提高結(jié)構(gòu)協(xié)同研制的效率。作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)和開(kāi)發(fā)過(guò)程的管理平臺(tái)，傳統(tǒng)的協(xié)同開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要偏重于產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理，對(duì)仿真分析階段支持不夠。在雷達(dá)開(kāi)發(fā)過(guò)程中為實(shí)現(xiàn)多部門(mén)統(tǒng)一建模與仿真功能，需建立復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同建模與仿真環(huán)境，從而縮短雷達(dá)新產(chǎn)品研制周期, 提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 協(xié)同建模與仿真的現(xiàn)狀與技術(shù)難點(diǎn)

目前雷達(dá)行業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)環(huán)境的協(xié)作支持能力要求越來(lái)越高，通過(guò)該協(xié)同工作環(huán)境可支持異地人員協(xié)作完成復(fù)雜建模與仿真任務(wù)，推進(jìn)數(shù)字化樣機(jī)的實(shí)施并提高工作效率。協(xié)同建模與仿真主要面向復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，它以分系統(tǒng)模型同步仿真、實(shí)時(shí)交互為基礎(chǔ)，通過(guò)各分系統(tǒng)模型的裝配形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，以便進(jìn)行更大范圍的甚至整個(gè)產(chǎn)品的仿真分析[1]。

在雷達(dá)行業(yè)結(jié)構(gòu)建模與仿真并行協(xié)同研究起步較晚，并且研究的重點(diǎn)集中在通過(guò)協(xié)作平臺(tái)共享設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。目前協(xié)同建模與仿真仍處于發(fā)展階段，正確、合理地構(gòu)建協(xié)同仿真模型是實(shí)施協(xié)同仿真的關(guān)鍵。在構(gòu)建協(xié)同仿真模型中基于接口的協(xié)同仿真應(yīng)用最為廣泛[2]，不同仿真軟件建立的不同分系統(tǒng)模型通過(guò)軟件間的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)或信息的交換，然后利用統(tǒng)一求解器進(jìn)行求解，完成整個(gè)系統(tǒng)仿真。目前商用軟件之間相互開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用接口要求建模完整無(wú)誤，且各個(gè)軟件之間所共同支持的文件格式存在模型損失的不足，利用該方法對(duì)仿真模型進(jìn)行裝配形成一個(gè)更大的仿真模型時(shí)還需作相應(yīng)修改。因此，在進(jìn)行分系統(tǒng)協(xié)同仿真時(shí)，需先結(jié)合系統(tǒng)功能，確定分系統(tǒng)仿真的目的與目標(biāo)，進(jìn)行基本數(shù)據(jù)的收集與分析，然后要求利用規(guī)范的模型連接與裝配方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真研究。

目前雷達(dá)結(jié)構(gòu)建模與仿真工作大部分仍采用傳統(tǒng)的串行封閉式流程模式，不同部門(mén)不同人員各自進(jìn)行建模與仿真分析的全部工作，協(xié)同效率和并行度較低。在產(chǎn)品研制過(guò)程中，后期仿真工作不介入前期工作，造成分系統(tǒng)仿真模型信息集成不暢，系統(tǒng)仿真模型裝配可用性不強(qiáng)，延長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)結(jié)構(gòu)建模與仿真工作的并行開(kāi)展，需解決仿真建模協(xié)同流程改進(jìn)與優(yōu)化的問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上建立支持結(jié)構(gòu)協(xié)同建模與仿真的管理平臺(tái)。

在傳統(tǒng)的仿真模式下，由于無(wú)法很好地處理模型間的耦合關(guān)系，通常只能從單一分系統(tǒng)的角度對(duì)產(chǎn)品整個(gè)模型進(jìn)行分析，將其他系統(tǒng)模型加以簡(jiǎn)化甚至完全忽略。該做法割裂了多系統(tǒng)模型間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，造成系統(tǒng)整體性的丟失，從而使仿真結(jié)果置信度降低。為加強(qiáng)不同部門(mén)開(kāi)發(fā)人員之間的協(xié)調(diào)與合作，充分發(fā)揮分系統(tǒng)仿真工具各自的優(yōu)勢(shì)，需建立結(jié)構(gòu)協(xié)同仿真建模的規(guī)范，發(fā)布自頂向下模式的總體網(wǎng)格骨架要求，并對(duì)模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分、單元連接與模型裝配方法進(jìn)行規(guī)定。

2 協(xié)同建模與仿真的關(guān)鍵技術(shù)

由于并行化的建模與仿真工作能提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有資源的充分利用，因此需要針對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)協(xié)同建模與仿真分析的技術(shù)難點(diǎn)，開(kāi)展對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的研究。

2.1 協(xié)同建模與仿真流程

自頂向下仿真設(shè)計(jì)是從總體結(jié)構(gòu)、部件結(jié)構(gòu)到部件零件的一種自上而下、逐步細(xì)化的仿真設(shè)計(jì)過(guò)程，它符合雷達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)際設(shè)計(jì)流程。如圖1所示，協(xié)同建模與仿真流程是首先確定雷達(dá)的總體參數(shù)，建立雷達(dá)的總體網(wǎng)格骨架；之后確定分系統(tǒng)的網(wǎng)格骨架，進(jìn)行分系統(tǒng)的網(wǎng)格建模，根據(jù)各分系統(tǒng)網(wǎng)格骨架對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行拼裝形成分系統(tǒng)模型；在此基礎(chǔ)上結(jié)合系統(tǒng)功能對(duì)各分系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行仿真計(jì)算，收集與分析分系統(tǒng)的基本仿真數(shù)據(jù)；最后根據(jù)總體網(wǎng)格骨架并結(jié)合連接與裝配技術(shù)，將分系統(tǒng)網(wǎng)格模型拼裝形成總體網(wǎng)格模型，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真計(jì)算，完成整個(gè)Top-Down的計(jì)算過(guò)程。

圖1 結(jié)構(gòu)協(xié)同建模與仿真流程

在雷達(dá)結(jié)構(gòu)協(xié)同建模與仿真流程中，應(yīng)充分考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程涉及多個(gè)分系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)。為了發(fā)揮各個(gè)系統(tǒng)的建模優(yōu)勢(shì)，將現(xiàn)有的系統(tǒng)建模過(guò)程看作多系統(tǒng)協(xié)同仿真建模的一個(gè)階段，通過(guò)高層建模指導(dǎo)分系統(tǒng)建模，對(duì)一些底層的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行封裝處理，采用協(xié)同建模與仿真規(guī)范即可實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)模型的轉(zhuǎn)換與拼裝。進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真時(shí)不需關(guān)心各分系統(tǒng)模型的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需考慮如何將己有的分系統(tǒng)仿真模型結(jié)合起來(lái)構(gòu)成協(xié)同仿真模型，從而減輕復(fù)雜的建模和設(shè)定工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)既有的軟件工具和長(zhǎng)期積累的模型的重用，提高系統(tǒng)級(jí)仿真的易用性和有效性。

2.2 協(xié)同仿真建模規(guī)范

與傳統(tǒng)的串行仿真建模流程相比，結(jié)構(gòu)協(xié)同建模與仿真流程具有并行活動(dòng)與過(guò)程、連續(xù)信息轉(zhuǎn)化和連續(xù)完成各階段工作3個(gè)特點(diǎn)[3]。為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)產(chǎn)品仿真流程的并行協(xié)同和優(yōu)化，加強(qiáng)各部門(mén)間的合作度，必須建立能夠充分執(zhí)行的協(xié)同仿真建模規(guī)范。

2.2.1 自頂向下模式的總體網(wǎng)格骨架要求

針對(duì)模塊化網(wǎng)格模型的拼裝，要在典型模塊約定的坐標(biāo)系統(tǒng)下設(shè)計(jì)。自頂向下模式的總體網(wǎng)格骨架要求有：

1)總體設(shè)計(jì)師建立骨架模型時(shí)，骨架模型應(yīng)包含總體定位坐標(biāo)系以及各分系統(tǒng)的空間布局、外形尺寸、分界面網(wǎng)格；

2)總體骨架模型構(gòu)建完成后，下發(fā)至分系統(tǒng)，由分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師參照(或參考)總體骨架，建立自己的裝配及骨架模型；

3)用各分系統(tǒng)的組件坐標(biāo)系與總體骨架模型坐標(biāo)系進(jìn)行裝配，坐標(biāo)系使用分系統(tǒng)命名；

4)各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師應(yīng)清楚總體骨架模型的設(shè)計(jì)原理和意圖，如有不明需與骨架創(chuàng)建者溝通。

2.2.2 模型簡(jiǎn)化

導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)進(jìn)行拼裝時(shí)，有時(shí)存在干涉、交叉、縫隙、重疊、錯(cuò)位、丟失等缺陷，或分析時(shí)對(duì)于模型的某些細(xì)小結(jié)構(gòu)可以被忽略，因此需要對(duì)模型進(jìn)行幾何清理與簡(jiǎn)化。對(duì)模型進(jìn)行幾何清理與簡(jiǎn)化的途徑主要有2條：

1)在三維實(shí)體造型軟件中對(duì)模型進(jìn)行預(yù)先清理。對(duì)于某些模型的特征，單純依靠前處理軟件的幾何清理功能無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)幾何清理，需要在三維實(shí)體造型軟件中預(yù)先對(duì)這些特征進(jìn)行一些必要的處理。

2)在前處理軟件中利用幾何處理等菜單中的各項(xiàng)功能對(duì)模型進(jìn)行幾何清理。利用前處理軟件提供的幾何清理工具，可刪除對(duì)結(jié)構(gòu)分析只產(chǎn)生局部較小影響的倒角、圓角和局部小孔等特征，也可以對(duì)面的重新劃分、線的壓縮、相鄰點(diǎn)的合并等作進(jìn)一步細(xì)化清理。

2.2.3 網(wǎng)格劃分

在有限元分析中通常將不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)抽象為由不同單元類(lèi)型組成的物理模型。理想的單元類(lèi)型主要有桿單元、梁?jiǎn)卧?、殼單元、?shí)體單元、剛性單元、彈簧阻尼單元、集中質(zhì)量單元等，常用連接技術(shù)有節(jié)點(diǎn)耦合、剛性區(qū)域、柔性連接等，不同物理模型之間的區(qū)別在于所假定的幾何模型不同。

單元類(lèi)型與單元形狀的選擇規(guī)范為：桿通常被認(rèn)為是二力桿，即只承受軸向拉力或壓力，不承受彎矩和扭矩，常用單元有Link1、Link8、Link10、Link180等；梁結(jié)構(gòu)通常承受拉、壓、彎、扭的作用，常用單元有Beam3、Beam4、Beam188、Beam189等；殼單元有四邊形單元和三角形單元，應(yīng)盡量采用四邊形單元，常用單元有Shell51、Shell63、Shell93、Shell181、Shell281等；實(shí)體單元的形狀有六面體、楔形體、四面體等，六面體單元在計(jì)算時(shí)具有較高的精度，且所需時(shí)間較少，因此在仿真過(guò)程中盡量使用六面體實(shí)體單元，常用單元有Solid45、Solid92、Solid95、Solid185、Solid186等；質(zhì)量單元用來(lái)模擬集中質(zhì)量，可包含轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，常用單元有Mass21；彈簧單元用來(lái)模擬彈簧效應(yīng)，軸向拉壓彈簧單元僅有軸向剛度，繞軸扭轉(zhuǎn)彈簧單元僅有繞軸扭轉(zhuǎn)的剛度，非線性彈簧單元具有非線性功能，有軸向拉壓或扭轉(zhuǎn)能力，常用單元有Combine14、Combine39；預(yù)緊力單元用來(lái)模擬螺栓等結(jié)構(gòu)的預(yù)緊力，每個(gè)預(yù)緊區(qū)域只有1個(gè)預(yù)緊節(jié)點(diǎn)，它只應(yīng)連接預(yù)緊單元，可加載拉伸或壓縮載荷、彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷，常用單元有Prets179；剛性桿/梁?jiǎn)卧捎脕?lái)模擬2個(gè)變形體之間的剛性約束，或者模擬傳遞力和力矩的剛性部件，常用單元有MPC184-Link/Beam；鉸鏈單元可用于模擬鉸鏈連接，鉸鏈單元只允許繞1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，常用單元有MPC184-Revolute；目標(biāo)單元和接觸單元通常配合使用，用來(lái)模擬接觸問(wèn)題或定義MPC算法，常用目標(biāo)單元有Targe170，接觸單元有Conta173、Conta174、Conta175；節(jié)點(diǎn)耦合用來(lái)實(shí)現(xiàn)單元間的連接，建立連接處分析模型時(shí)，可使用不同單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，也可分別定義材料屬性；剛性區(qū)域和柔性連接常用來(lái)定義各種連接，如螺栓連接、焊接和軸承等，常用剛性單元有Cerig，常用柔性單元有Reb3。

網(wǎng)格劃分原則為：保留主要特征線，網(wǎng)格要與幾何保持良好的一致性；殼單元在短邊上至少2排以上，實(shí)體單元在厚度方向至少3層以上；關(guān)鍵區(qū)域(應(yīng)力特別關(guān)心區(qū)域)單元應(yīng)盡可能規(guī)則并細(xì)化，粗細(xì)網(wǎng)格之間應(yīng)有過(guò)渡單元；對(duì)稱(chēng)部件、對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)要盡量使用對(duì)稱(chēng)網(wǎng)格；動(dòng)力學(xué)分析盡量不要使用1/2、1/4、1/8等模型進(jìn)行分析。

2.2.4 網(wǎng)格模型連接

對(duì)于梁?jiǎn)卧?、板殼單元、?shí)體單元等，需考慮各種單元之間的連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜分析模型的建立。實(shí)體-實(shí)體、實(shí)體-板殼、板殼-板殼均可采用節(jié)點(diǎn)耦合或MPC算法進(jìn)行連接；實(shí)體-梁、板殼-梁均、集中質(zhì)量單元可采用剛/柔性連接或MPC算法進(jìn)行連接[4]。

在網(wǎng)格模型拼裝成總體模型過(guò)程中，應(yīng)做到模型簡(jiǎn)化合理，能準(zhǔn)確反映實(shí)物模型，盡量使用2D、3D單元和連接技術(shù)?？上炔捎煤侠淼膯卧?lèi)型建立底座、支臂、軸承座、軸承、齒輪等零件的分析模型，之后采用螺栓連接、焊接、過(guò)盈配合、絞接等接觸與連接技術(shù)建立裝配體的分析模型。結(jié)構(gòu)結(jié)合處的建模規(guī)范為：連續(xù)焊接可采用節(jié)點(diǎn)重合，整合成1個(gè)零件來(lái)模擬，或采用前處理軟件中的焊接單元，通過(guò)交互式菜單建立連接，或用Shell單元連接；點(diǎn)焊可用梁?jiǎn)卧M變形焊點(diǎn)，或用剛性單元模擬；粘接可采用節(jié)點(diǎn)重合，整合成一個(gè)零件來(lái)模擬，或采用前處理軟件中的膠粘單元建立連接，或用Solid單元模擬，或用彈簧單元模擬；鉚接和銷(xiāo)接可通過(guò)剛性單元模擬，或用一個(gè)實(shí)體單元模擬鉚釘，采用MPC多點(diǎn)約束方式連接，或用接觸單元模擬；螺栓(釘)連接可通過(guò)剛/柔性單元模擬，或用一個(gè)實(shí)體單元模擬螺栓，通過(guò)接觸建立連接關(guān)系，并在斷面各單元的節(jié)點(diǎn)上施加預(yù)緊力單元Prets179，或通過(guò)彈簧阻尼器模擬，或通過(guò)梁?jiǎn)卧M，或采用節(jié)點(diǎn)重合，整合成1個(gè)零件來(lái)模擬；轉(zhuǎn)動(dòng)連接可采用轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈單元模擬，通過(guò)建立局部坐標(biāo)系控制旋轉(zhuǎn)軸，或用剛/柔性連接模擬，或通過(guò)耦合約束模擬；滑動(dòng)連接可采用滑動(dòng)鉸鏈單元模擬，或定義接觸單元模擬；齒輪連接在靜力學(xué)分析中可采用粘接的處理方式或接觸的處理方式，在動(dòng)力學(xué)分析中采用彈簧阻尼器或接觸的處理方式；軸承連接中軸承內(nèi)外圈采用實(shí)體單元建模，內(nèi)外圈的相互作用通過(guò)剛/柔性單元和轉(zhuǎn)動(dòng)鉸相結(jié)合的方式來(lái)處理，或定義接觸單元模擬，或采用MPC算法進(jìn)行模擬。

2.2.5 總體網(wǎng)格模型拼裝

總體網(wǎng)格模型拼裝前直接在CAD軟件中裝配，并導(dǎo)入前處理軟件，再建立總體定位坐標(biāo)系、分界面網(wǎng)格。通常直接在CAD模型中建立好裝配體，然后通過(guò)CAD接口導(dǎo)入前處理軟件，或者導(dǎo)出.iges、.step、.parasolid等中間交換格式，然后再導(dǎo)入前處理軟件[5]。裝配體導(dǎo)入后，前處理軟件會(huì)自動(dòng)為每個(gè)零部件單獨(dú)創(chuàng)建一個(gè)組，如果裝配體中還包含有子裝配系統(tǒng)，前處理軟件也會(huì)自動(dòng)建立相應(yīng)的組件，完整地保留CAD模型中的裝配層次關(guān)系。根據(jù)實(shí)際情況，把整個(gè)裝配模型切割成若干塊，或者按照零部件來(lái)分塊，將各分塊模型與總體定位坐標(biāo)分配給不同人員來(lái)劃分網(wǎng)格，最后按總體定位坐標(biāo)再把各人劃分好的網(wǎng)格裝配起來(lái)。

裝配起來(lái)的總體網(wǎng)格模型，僅僅只有正確的相對(duì)空間定位，還缺少用于描述裝配體中各個(gè)零部件之間相互約束、傳遞載荷的信息。根據(jù)零部件的裝配方式以及實(shí)際工作情況，通過(guò)接觸與連接定義把各個(gè)零部件真正地裝配起來(lái)，形成系統(tǒng)分析網(wǎng)格模型。

2.2.6 網(wǎng)格模型檢查

網(wǎng)格模型檢查時(shí)需采用一定的單元質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，單元的質(zhì)量是指其形狀的規(guī)則性，它對(duì)計(jì)算精度的影響很大。2D單元質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有：翹曲度、縱橫比、扭曲度、弦差、最小邊長(zhǎng)、最大邊長(zhǎng)、雅可比、偏離矩形度、最小內(nèi)角、最大內(nèi)角。3D單元檢查除包含2D單元檢查項(xiàng)外，還包含四面體單元坍塌程度、四面體單元扭曲程度、三維實(shí)體單元形狀等。常用檢查項(xiàng)的具體要求見(jiàn)表1。

表1 單元質(zhì)量檢查項(xiàng)

模型檢查內(nèi)容主要包括模型簡(jiǎn)化的規(guī)范性，模型網(wǎng)格信息與幾何特征的完整性、正確性，模型生成的規(guī)范性，零部件間接觸與連接設(shè)置的規(guī)范性，拼裝時(shí)分界面網(wǎng)格連接的規(guī)范性以及其他需表達(dá)的信息。

2.3 協(xié)同建模與仿真架構(gòu)

協(xié)同平臺(tái)主要解決共享數(shù)據(jù)管理、協(xié)同信息管理、協(xié)作過(guò)程的數(shù)據(jù)流和工作流管理問(wèn)題，主要目標(biāo)是使各部門(mén)人員能夠通過(guò)協(xié)同平臺(tái)在異地進(jìn)行并行建模與仿真。結(jié)構(gòu)協(xié)同建模與仿真的體系架構(gòu)如圖2所示。協(xié)同建模與仿真框架可以自上而下分為3個(gè)層次:方法層、應(yīng)用層和基礎(chǔ)層。方法層主要包括協(xié)同仿真建模方法與前處理工具；應(yīng)用層包括幾何模型網(wǎng)格裝配信息預(yù)定義、協(xié)同分網(wǎng)與拼裝、多系統(tǒng)協(xié)同仿真運(yùn)行、協(xié)同仿真過(guò)程管理、協(xié)同仿真后處理等；基礎(chǔ)層為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，包括仿真建模規(guī)范、材料參數(shù)與載荷庫(kù)以及仿真對(duì)象工況等指標(biāo)，為結(jié)構(gòu)協(xié)同建模與仿真的實(shí)施提供一個(gè)底層支撐環(huán)境。

圖2 協(xié)同建模與仿真體系架構(gòu)

3 協(xié)同建模與仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品協(xié)同建模與仿真流程、協(xié)同仿真建模規(guī)范、協(xié)同建模與仿真架構(gòu)的研究，可制定雷達(dá)結(jié)構(gòu)協(xié)同建模與仿真的技術(shù)方案，以實(shí)現(xiàn)各部門(mén)間基于共享信息的緊密集成與協(xié)同。以某雷達(dá)天線系統(tǒng)為例，設(shè)置天線座和天線罩2個(gè)分系統(tǒng)，在總體工況狀態(tài)下，各部門(mén)通過(guò)并行參與達(dá)到結(jié)構(gòu)協(xié)同建模與仿真的目的。

在天線系統(tǒng)仿真分析中，統(tǒng)一建模部分是重點(diǎn)，該部分的作用主要是實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)，最終建立天線系統(tǒng)組成模型。天線座模型局部特征較多，為減輕工作量，先建立天線座網(wǎng)格骨架。統(tǒng)一天線座分界面的網(wǎng)格劃分，建立天線座分割模型的網(wǎng)格后，根據(jù)天線座網(wǎng)格骨架拼裝成天線座網(wǎng)格模型，拼裝過(guò)程如圖3所示。利用該模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，天線座的最大位移為0.2 mm，最大應(yīng)力為30 MPa，滿足指標(biāo)要求。

圖3 采用網(wǎng)格骨架進(jìn)行天線座網(wǎng)格模型拼裝

圖4 天線座計(jì)算結(jié)果

天線罩分為外部蒙皮與內(nèi)部筋板2部分，這2部分都采用殼單元處理，結(jié)合處為邊接觸，故采用共節(jié)點(diǎn)方式對(duì)天線罩進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分過(guò)程如圖5所示。利用該模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，天線罩的最大位移為0.4 mm，最大應(yīng)力為14 MPa，滿足指標(biāo)要求。

圖5 天線罩網(wǎng)格劃分

利用天線座與天線罩已劃分好的網(wǎng)格模型，采用螺栓連接與剛/柔性連接方法可獲得天線系統(tǒng)的裝配網(wǎng)格模型，裝配過(guò)程如圖7所示。充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)格模型，選擇合適的連接技術(shù)，可以高效地建立總體網(wǎng)格模型，方便進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真分析。天線系統(tǒng)的分析結(jié)果如圖8所示，從圖8可以看出，天線系統(tǒng)的最大位移為0.8 mm，最大應(yīng)力為40 MPa，滿足指標(biāo)要求。

圖7 采用連接技術(shù)對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行總體裝配

圖8 天線系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)產(chǎn)品建模及仿真工作的并行開(kāi)展，本文從建立結(jié)構(gòu)協(xié)同建模與仿真流程、規(guī)范結(jié)構(gòu)協(xié)同建模、構(gòu)建協(xié)同建模與仿真架構(gòu)3方面進(jìn)行了技術(shù)分析。在此基礎(chǔ)上，以某雷達(dá)天線系統(tǒng)為例，對(duì)協(xié)同建模與仿真分階段實(shí)施技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，采用基于結(jié)構(gòu)的協(xié)同建模與仿真技術(shù)，既可充分結(jié)合異地人員、不同工具進(jìn)行復(fù)雜分系統(tǒng)的建模與仿真，也可將各個(gè)獨(dú)立的分系統(tǒng)仿真應(yīng)用組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)性能的全面分析，使根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)要求進(jìn)行分系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能，最終滿足雷達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的需要。

[1] 熊光愣, 郭斌, 陳曉波. 協(xié)同仿真與虛擬樣機(jī)技術(shù)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2004.

[2] 洪亞軍, 陳以春, 徐誠(chéng). 單兵武器系統(tǒng)協(xié)同仿真方法[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2012, 29(1): 87-90.

[3] 王慶艷. 基于ANSYS的協(xié)同仿真平臺(tái)建設(shè)方案[J]. 中國(guó)制造業(yè)信息化, 2011(8): 50-52.

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劉炳輝(1981-)，男，博士，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)、CAE集成技術(shù)研究工作。

杜振勇(1982-)，男，博士，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)、復(fù)合材料力學(xué)設(shè)計(jì)、CAE集成技術(shù)研究工作。

Research and Implementation of Collaborative Modeling and Simulation in Radar Structure Fields

LIU Bing-hui，DU Zhen-yong，LIANG Zhen-tao

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Structural modeling and simulation of subsystem can be conducted simultaneously using collaborative design technology. However, due to lack of simulation modeling specification, the traditional serial close mode of modeling and simulation is still adopted in most products at present. In order to increase the product design efficiency, the research on collaborative modeling and simulation is required. Based on the trend that the radar is developed jointly with subsystems, the present situation and difficult points of collaborative modeling and simulation are analyzed, and the process of collaborative modeling and simulation, the simulation modeling specification and the architecture of collaborative modeling and simulation are discussed. According to the analysis results, the technology instance of radar structural collaborative modeling and simulation is given, which has realized the tight design integration and collaboration based on shared models.

radar; collaborative modeling and simulation; modeling specification

2014-01-06

TP391.9

A

1008-5300(2014)05-0052-05