祝亞宏,韓 君,王奉冠,吳明理,郭連水
(1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094;2.北京市航天產(chǎn)品智能裝配技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心,北京 100094;
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基于智能主模型的航天器工裝建模與分析一體化方法
祝亞宏1,2,韓 君3,王奉冠3,吳明理3,郭連水3
(1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094;2.北京市航天產(chǎn)品智能裝配技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心,北京 100094;
3.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,北京 100191)
摘 要:描述了基于智能主模型的航天器運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)方法,分析了航天器運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)流程,采用多層級骨架實(shí)現(xiàn)航天器運(yùn)輸工裝的結(jié)構(gòu)控制,采用智能主模型數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)工裝建模與分析一體化。在Pro/E平臺(tái)上開發(fā)了航天器運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng),將運(yùn)輸工裝快速建模與工程分析融合,自動(dòng)地將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果推送到分析軟件中,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到工程分析的自動(dòng)化和集成化。
關(guān)鍵詞:智能主模型;多層級骨架;設(shè)計(jì)分析集成;航天器運(yùn)輸工裝
航天器運(yùn)輸工裝是航天器轉(zhuǎn)場運(yùn)輸過程中的輔助工裝,其設(shè)計(jì)過程是多部門與多學(xué)科高度交叉融合,包含多層次、多約束的反復(fù)迭代過程。隨著我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展,航天器的精度與外形尺寸的要求對航天器運(yùn)輸工裝的設(shè)計(jì)能力提出挑戰(zhàn)[1,2]。傳統(tǒng)航天器運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì),由于不同航天器導(dǎo)致工裝設(shè)計(jì)需求的差異,設(shè)計(jì)人員采用單一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行建模和分析占用大量的時(shí)間和人力,很難保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。單一的結(jié)構(gòu)模型主要缺陷在于:1)僅支持產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)果描述,無法有效支持初步設(shè)計(jì),不能做到總體到結(jié)構(gòu)的自頂向下設(shè)計(jì)過程;2)以往的成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)規(guī)則不能與設(shè)計(jì)工具有效連接,無法完成設(shè)計(jì)到分析的迭代過程;3)設(shè)計(jì)信息不能有效表達(dá),難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)提取,不同設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)信息共享困難。針對這些問題國,內(nèi)外工程界進(jìn)行的大量的相關(guān)研究,上世紀(jì)90年代美國軍方就提出了“基于仿真的采購”SBA(Simulation Based Acquisition)[3]的概念,其思想是采用表示武器系統(tǒng)運(yùn)行的智能產(chǎn)品模型(Smart Product Model,SPM),通過集成的數(shù)字化環(huán)境(Integrated Digital Environment,IDE)支持而貫穿于研制全過程進(jìn)行實(shí)施操作,在設(shè)計(jì)之前就在計(jì)算機(jī)中完成了從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、操作等全過程評估和驗(yàn)證,減少了大量的物理樣機(jī)與試驗(yàn)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST資助項(xiàng)目“聯(lián)邦智能產(chǎn)品環(huán)境-FIPER”(Federated Intelligent Product Environment)[4]計(jì)劃,F(xiàn)IPER的特點(diǎn)是通過知識工程接口有效實(shí)現(xiàn)CAD產(chǎn)品建模,CAE工程分析和CAO(Computer Aided Optimization)設(shè)計(jì)優(yōu)化的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián), CAE開發(fā)平臺(tái)從PDM系統(tǒng)調(diào)入原有的CAD模型和網(wǎng)格模型,同時(shí)把分析過程中的材料和測試數(shù)據(jù)、分析結(jié)果存到PDM數(shù)據(jù)庫中,形成CAX數(shù)據(jù)和過程相融合的統(tǒng)一產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)。這些研究表明單一的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型需要向智能主模型轉(zhuǎn)變,智能主模型需要支持產(chǎn)品從初步構(gòu)型設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì),工程分析到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)全過程。
傳統(tǒng)CAD建模方法中,主要是利用點(diǎn)、線、面和參數(shù)化特征,建立產(chǎn)品初步構(gòu)型與詳細(xì)設(shè)計(jì)模型,與自頂向下的設(shè)計(jì)理念不符。由設(shè)計(jì)需求變更導(dǎo)致的設(shè)計(jì)更改很難從初步設(shè)計(jì)模型傳遞到詳細(xì)設(shè)計(jì)模型中,無法從總體上控制模型,模型的更改占用大量的設(shè)計(jì)時(shí)間,成為提高設(shè)計(jì)效率的瓶頸。智能主模型利用總體骨架控制結(jié)構(gòu)及參數(shù)化建模技術(shù),實(shí)現(xiàn)了初步構(gòu)型設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì),通過總體骨架,控制模型尺寸形狀的點(diǎn)、線、面等。初步構(gòu)型發(fā)生更改時(shí),設(shè)計(jì)參數(shù)可以通過總體骨架傳遞到底層骨架進(jìn)而控制結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)尺寸,保證設(shè)計(jì)意圖有效傳遞到詳細(xì)設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)自頂向下設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程。
本文提出基于智能主模型的航天器運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)基于多級骨架的快速建模及建模與分析一體化集成。通過開發(fā)航天器運(yùn)輸工裝快速建模與分析一體化集成平臺(tái),驗(yàn)證智能主模型技術(shù)在航天器運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性和有效性。
1.1智能主模型內(nèi)涵
產(chǎn)品智能主模型包括:主模型數(shù)據(jù)[5,6]、工程語義知識庫、工程分析接口,如圖1所示。主模型包括幾何模型和非幾何模型,幾何模型包括控制模型結(jié)構(gòu)的骨架以及依附于骨架的參數(shù)關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)航天器運(yùn)輸工裝結(jié)構(gòu)模型的快速修改。非幾何模型即設(shè)計(jì)參數(shù),包括模型尺寸、設(shè)計(jì)關(guān)鍵尺寸、中間參數(shù)等;工程語義知識庫是廣泛適用于同類產(chǎn)品的工裝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)規(guī)則的集合;工程分析接口包含接口數(shù)據(jù)模型和分析結(jié)果數(shù)據(jù),將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程分析連接起來形成一個(gè)整體,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程到分析過程數(shù)據(jù)模型的“推送”,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與分析過程自動(dòng)化評估。
圖1 智能主模型內(nèi)涵
1.2航天器運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)過程
傳統(tǒng)航天器運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)流程是根據(jù)航天器的參數(shù)(外形、重量、接口等)及外界條件參數(shù)(工況、溫度、運(yùn)輸?shù)龋┻M(jìn)行工裝初步構(gòu)型設(shè)計(jì),確定模型輪廓尺寸參數(shù)后,進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,詳細(xì)設(shè)計(jì)流程中包含工裝模型可行性檢查,根據(jù)檢查結(jié)果循環(huán)迭代設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)入工程分析校核及設(shè)計(jì)優(yōu)化階段,其中工程分析包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減振和保溫等,如果校核不滿足要求需要返回結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段修改設(shè)計(jì)模型,然后重新進(jìn)行工程分析,如此反復(fù)直到滿足設(shè)計(jì)要求。航天器運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)流程如圖2所示,流程中的瓶頸點(diǎn):1)模型更改,設(shè)計(jì)更改無法有效關(guān)聯(lián)模型中;2)設(shè)計(jì)知識的重用,設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則依然記錄在設(shè)計(jì)文檔或設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)中,很難保證設(shè)計(jì)的正確性和效率;3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到工程分析的數(shù)據(jù)傳遞,現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到工程分析是利用文檔和幾何模型文件的方式傳遞的。
智能主模型技術(shù)為航天器運(yùn)輸工裝的設(shè)計(jì)給出了一個(gè)新的思路,利用智能主模型技術(shù)建立一個(gè)集成的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái),包括多層次骨架和結(jié)構(gòu)的模型庫,支持設(shè)計(jì)過程中模型尺寸和構(gòu)型的快速更改,并將設(shè)計(jì)知識融入設(shè)計(jì)平臺(tái)中,通過“智能”接口實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到工程分析的數(shù)據(jù)傳遞,將設(shè)計(jì)流程標(biāo)準(zhǔn)化,形成一套標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模板可以適應(yīng)不同種類工裝的快速設(shè)計(jì)。
圖2 航天器運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)流程
多層次骨架結(jié)構(gòu)模型[7]區(qū)別于傳統(tǒng)建模方法,它是利用多層次骨架結(jié)構(gòu)和參數(shù)化技術(shù)建立模型(如圖3所示),其中多層次骨架包含頂層骨架、一級骨架、……、底層骨架,骨架是產(chǎn)品構(gòu)型的決定因素,通過參數(shù)及骨架的基準(zhǔn)點(diǎn)、線、面等控制模型形狀特征尺寸和各零件的位置及裝配關(guān)系。頂層骨架是各個(gè)零部件互相聯(lián)系的橋梁,存儲(chǔ)著各個(gè)零部件間的位置關(guān)系及全局參數(shù),這些全局參數(shù)控制著下級零部件的構(gòu)型及尺寸。下級骨架復(fù)制這些參數(shù)并配合自身的骨架信息確定當(dāng)前零部件的整體構(gòu)型尺寸,并控制下級零部件的位置關(guān)系,向下傳遞全局參數(shù)。多層骨架結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)流程中自頂向下的設(shè)計(jì)思路,即在頂層設(shè)計(jì)整體尺寸并約束底層的位置關(guān)系,逐層推進(jìn)逐步細(xì)化。
圖3 多層次骨架結(jié)構(gòu)
多層次骨架結(jié)構(gòu)建模過程中參數(shù)作為直接驅(qū)動(dòng)模型的關(guān)鍵,不能覆蓋模型所有尺寸,可能造成設(shè)計(jì)的相互干擾也會(huì)影響設(shè)計(jì)效率,需要選擇合適的尺寸參數(shù)。模型參數(shù)的選擇需要遵循以下原則:
1)尺寸鏈原則。選擇參數(shù)時(shí),要保證尺寸鏈內(nèi)某一尺寸作為封閉環(huán),不通過參數(shù)驅(qū)動(dòng)。盡量選擇設(shè)計(jì)過程中不需要關(guān)注或不影響后續(xù)設(shè)計(jì)的尺寸作為封閉環(huán)。如在航天器運(yùn)輸工裝的初步構(gòu)型設(shè)計(jì)過程中,航天器與工裝內(nèi)壁的間距尺寸不設(shè)參數(shù)驅(qū)動(dòng),而是根據(jù)工裝整體尺寸、箱壁尺寸及航天器尺寸等計(jì)算得到,防止出現(xiàn)參數(shù)更改互相影響導(dǎo)致模型出錯(cuò)的問題。
2)主次原則。模型參數(shù)不能覆蓋所有模型尺寸,需要保證主要尺寸參數(shù),忽略次要參數(shù)。主要尺寸參數(shù)指影響零件位置的參數(shù),描述零件外型尺寸參數(shù),零件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)等。如在L型接口支架的設(shè)計(jì)過程中,支架的支撐梁的結(jié)構(gòu)作為工裝非重要結(jié)構(gòu)不設(shè)參數(shù)只在必要時(shí)補(bǔ)充,而L型支架的高度作為判斷工裝內(nèi)腔相容性的重要條件設(shè)置參數(shù)。參數(shù)的選擇需要充分考慮工裝設(shè)計(jì)過程中尺寸對設(shè)計(jì)流程的影響。
3)構(gòu)型參數(shù)。工裝的設(shè)計(jì)過程涉及組件變形,需要在參數(shù)中添加控制零件構(gòu)型的參數(shù),通過參數(shù)變化改變零件構(gòu)型。構(gòu)型參數(shù)不能控制模型特征的有無,只能進(jìn)行構(gòu)型變更。在運(yùn)輸工裝箱罩的設(shè)計(jì)過程中,箱罩的樣式需要根據(jù)航天器產(chǎn)品包絡(luò)和運(yùn)輸輪廓進(jìn)行選擇,工裝主模型需要設(shè)置箱罩樣式參數(shù)來控制箱罩模型。
圖4 航天器運(yùn)輸工裝骨架及參數(shù)
開發(fā)了航天器運(yùn)輸工裝快速建模與分析一體化平臺(tái),并以某型號航天器為應(yīng)用對象進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)計(jì)平臺(tái)是采用智能主模型技術(shù)建立,在Pro/E上二次開發(fā)而成,可以在設(shè)計(jì)界面直接更改模型骨架中的參數(shù),在設(shè)計(jì)向?qū)У闹敢峦瓿晒ぱb模型設(shè)計(jì)。工裝模型建立后平臺(tái)啟動(dòng)分析軟件ANSYS和Fluent,通過工程分析接口將數(shù)據(jù)傳遞到分析軟件中進(jìn)行工程分析。該平臺(tái)的開發(fā)難點(diǎn)包括智能主模型中多層次骨架工裝模型頂層和底層參數(shù)關(guān)聯(lián),以及建模到分析的數(shù)據(jù)接口。
3.1航天器運(yùn)輸工裝結(jié)構(gòu)組成與參數(shù)
航天器運(yùn)輸工裝是由箱罩、箱底、航天器接口和附件等組成。由于航天器種類多且外界約束條件的嚴(yán)苛,運(yùn)輸工裝的初步構(gòu)型設(shè)計(jì)是循環(huán)迭代的過程。根據(jù)運(yùn)輸工裝的結(jié)構(gòu)外形,建立多層骨架控制結(jié)構(gòu)并提取尺寸參數(shù),如圖4所示。參數(shù)包括總體尺寸(如航天器長、寬、高)和零件尺寸(箱罩主梁尺寸),包括工裝構(gòu)型參數(shù)(如箱罩類型、箱底類型),在初步構(gòu)型階段通過不斷地校核得到滿足要求的總體尺寸及構(gòu)型參數(shù),平臺(tái)將參數(shù)統(tǒng)一存放在頂層骨架中進(jìn)行管理,頂層骨架中的參數(shù)修改由頂層骨架將參數(shù)以注釋的方式向下傳遞到底層骨架中控制模型尺寸。多層骨架控制結(jié)構(gòu)含有工裝構(gòu)型更改信息,如根據(jù)校核判斷,將箱罩樣式由方型更改為圓型,底層骨架接收上層骨架的參數(shù)更改信息,自動(dòng)地將箱罩方型結(jié)構(gòu)修改為圓型結(jié)構(gòu)。
3.2航天器運(yùn)輸工裝快速建模與分析的集成
3.2.1航天器運(yùn)輸工裝分析的數(shù)據(jù)模型
航天器運(yùn)輸工裝的力學(xué)分析需要模型的網(wǎng)格、載荷、約束等信息。熱學(xué)分析的數(shù)據(jù)模型包括各種參數(shù),如模型的熱學(xué)系數(shù)、外界環(huán)境參數(shù)(溫度、風(fēng)速等)、檢測點(diǎn)位置參數(shù)等,以及熱分析命令流。熱分析命令流文件是根據(jù)以往成功的分析案例總結(jié)而成,即利用Fluent軟件進(jìn)行熱分析的操作流程。知識庫中存儲(chǔ)的命令流文件是基礎(chǔ)命令流文件,其中的熱分析參數(shù)及簡化模型信息系統(tǒng)會(huì)根據(jù)具體情況進(jìn)行修改,最后得到最終命令流文件并傳遞到Fluent軟件中。
航天器運(yùn)輸工裝分析模型不同于工裝設(shè)計(jì)模型,需要進(jìn)行模型合理簡化,簡化的方法有:1)模型忽略(去除多余模型),根據(jù)分析對象將工裝模型中多余的模型進(jìn)行隱含操作使分析過程簡化;2)特征弱化(去除多余特征)建立簡化模型,由于模型的細(xì)節(jié)特征對分析結(jié)果影響很小,建立只包含工裝輪廓特征的簡化模型,簡化模型尺寸由設(shè)計(jì)模型尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng),保證簡化模型與正常模型的一致性。
3.2.2航天器運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)的分析接口
圖5 減振校核公式
航天器運(yùn)輸工裝工程分析包括:力學(xué)計(jì)算接口、力學(xué)分析接口。力學(xué)計(jì)算接口是系統(tǒng)調(diào)用知識庫中的計(jì)算公式,如圖5所示的減振校核公式(系統(tǒng)振動(dòng)力學(xué)模型和系統(tǒng)振動(dòng)數(shù)學(xué)模型),平臺(tái)根據(jù)設(shè)計(jì)輸入及計(jì)算公式進(jìn)行減振校核,這些公式是根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)規(guī)則總結(jié)得到的。平臺(tái)利用力學(xué)計(jì)算接口實(shí)現(xiàn)了工程計(jì)算與系統(tǒng)的集成,直接輸出工程計(jì)算結(jié)果。力學(xué)分析是分析運(yùn)輸工裝的靜力承載情況,開始力學(xué)分析后,平臺(tái)通過Pro/E二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)Pro/E軟件由設(shè)計(jì)模塊切換到分析模塊,并傳遞分析參數(shù)和模型到分析模塊,分析模塊自動(dòng)進(jìn)行模型簡化、網(wǎng)格劃分、添加約束和載荷等前置步驟,生成中間ANS文件。平臺(tái)通過批處理命令后臺(tái)打開ANSYS軟件并加載ANS文件進(jìn)行力學(xué)分析,分析結(jié)果傳回到設(shè)計(jì)平臺(tái),整個(gè)過程在設(shè)計(jì)平臺(tái)上自動(dòng)進(jìn)行。圖7是箱罩的力學(xué)分析界面,整個(gè)分析操作都是自動(dòng)進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)了力學(xué)分析的自動(dòng)化并將力學(xué)分析集成在設(shè)計(jì)平臺(tái)中。
圖6 力學(xué)分析流程
圖7 箱罩力學(xué)分析界面
航天器運(yùn)輸工裝的熱分析包括穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析,保證工裝在運(yùn)輸過程中航天器的溫度在可控范圍內(nèi)變化,校核空調(diào)的主動(dòng)控溫能力及運(yùn)輸過程中無法保持空調(diào)運(yùn)行情況下工裝的被動(dòng)保溫能力。系統(tǒng)利用熱分析接口如圖8所示,生成簡化模型和Fluent命令流文件如圖9所示,啟動(dòng)Fluent軟件進(jìn)行熱分析計(jì)算。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)建穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析的基礎(chǔ)命令流文件,熱分析前設(shè)計(jì)人員輸入熱分析參數(shù),系統(tǒng)結(jié)合熱分析參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果修改基礎(chǔ)命令流文件,生成最終命令流文件。系統(tǒng)根據(jù)熱分析要求建立參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的簡化模型,其尺寸參數(shù)與設(shè)計(jì)模型尺寸參數(shù)關(guān)聯(lián),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后即得到簡化模型。開始熱分析后,平臺(tái)利用批處理命令啟動(dòng)熱學(xué)分析軟件Fluent,并加載最終命令流文件和簡化模型,使Fluent軟件進(jìn)行熱分析求解。分析自動(dòng)化流程如圖10所示:①創(chuàng)建熱分析工程;②載入熱分析模型;③開始熱分析;④分析完成并將結(jié)果存儲(chǔ)指定目錄。整個(gè)分析操作都是自動(dòng)進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)了熱分析的自動(dòng)化并將熱分析集成在設(shè)計(jì)平臺(tái)中。
圖8 熱分析接口
圖9 航天器運(yùn)輸工裝箱體熱分析Fluent命令流
圖10 熱分析自動(dòng)化流程
本文提出了基于智能主模型的航天器運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)
【】【】方法,利用多層級骨架和分析接口實(shí)現(xiàn)航天器運(yùn)輸工裝的快速建模與分析一體化方法。開發(fā)航天器運(yùn)輸工裝集成設(shè)計(jì)平臺(tái),以某型號航天器的運(yùn)輸工裝為實(shí)例驗(yàn)證了應(yīng)用智能主模型技術(shù)實(shí)現(xiàn)工裝快速建模與分析集成的可行性。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了航天器運(yùn)輸工裝的快速建模及平臺(tái)與力學(xué)分析、熱學(xué)分析的集成。該方法不僅可以應(yīng)用在航天器運(yùn)輸工裝設(shè)計(jì)中,還可以應(yīng)用其他產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速建模與分析集成,從而提高設(shè)計(jì)效率。
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analysis based on intelligent master model
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中圖分類號:TH391.7
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1009-0134(2016)05-0102-05
收稿日期:2016-01-03
作者簡介:祝亞宏(1979 -),女,北京人,碩士,從事總裝工藝裝備設(shè)計(jì)工作。