MBSE在活動發(fā)射平臺支承臂設計中的應用實踐

楊 鋒,王 南,盧官凱,姚博丹

(北京航天發(fā)射技術研究所，北京 100076)

0 引言

運載火箭活動發(fā)射平臺主要實現對火箭箭體及有效載荷的支撐、調平以及轉場運輸等功能，由臺體、臍帶塔、支承臂、防風裝置等子系統組成，其結構復雜、涉及專業(yè)多、集成化程度高，是典型的復雜系統工程。

在傳統的設計過程中，主要采用基于文檔的系統工程(Text-Based System Engineering,TSE)方式，系統架構模型由自然語言表示的文檔構成[1]，已形成了相對穩(wěn)定的研制設計流程，但在數據傳遞和迭代過程中不易保持一致，溝通交流和協同設計的難度大；隨著活動發(fā)射平臺集成功能越來越強大，技術越來越復雜，跨學科及多專業(yè)協同要求越來越高，傳統的系統設計方式已不能滿足新的研制需求。

基于模型的系統工程(Model-Based System Engineering, MBSE)方法使用統建模語言(System Modeling Language, SysML)來描述系統架構，是系統工程領域的一種基于模型表達和驅動的方法[2-5]，通過對系統的底層元素進行面向對象的、圖形化的表示，從而逐步構建系統的其他模型；通過對系統進行多層次分解，建立各模型信息間的聯系，形成自動關聯可追溯的系統模型，能夠有效地解決信息追溯與一致性保證的問題，實現系統需求和功能邏輯的確認和驗證，并驅動產品設計、仿真、測試、綜合、驗證與確認環(huán)節(jié)，提升產品全生命周期的協同設計效率。近年來，MBSE理論在航天器設計中得到成熟應用[6-11]。

本文將基于MBSE的正向設計方法應用到活動發(fā)射平臺支承臂方案論證和詳細設計過程中，并側重不同系統/工具間數據的集成和關聯層面探索技術可行性；從頂層對活動發(fā)射平臺系統級的任務進行分析，將系統建?？蚣芎突顒影l(fā)射平臺總體設計方法相結合，利用MagicDraw、Mworks、NX、Ansys、Teamcenter等工具/系統，實現了需求分析、方案論證和產品設計等階段數據關聯和映射。

1 基于MBSE的正向設計系統框架

基于MBSE的正向設計框架由方案設計、產品設計、協同設計3部分組成，如圖1所示。在方案設計階段，主要通過MagicDraw完成系統建模，通過Mworks完成物理建模，從頂層對活動發(fā)射平臺的需求進行分類，轉化為功能和約束，進一步對狀態(tài)、活動、流程進行分析，并通過創(chuàng)建模塊定義圖指定系統的邏輯組成部分和各模塊間交互所需的接口，通過建立系統的邏輯架構，明確各個子系統之間的接口；通過Mworks進行物理建模分析，基于Modelica語言創(chuàng)建機、電、液多學科聯合仿真模型，并通過FMI的形式與系統模型進行集成和交互。在產品設計階段，主要利用NX、Ansys完成產品三維結構設計和有限元仿真分析。

圖1 基于MBSE的正向設計系統框架圖Fig.1 Forward design system frame based on MBSE

本文通過配置集成接口實現系統模型、物理模型、設計模型、仿真模型與協同平臺Teamcenter的集成，在Teamcenter中創(chuàng)建需求BOM(RBOM)、設計BOM(EBOM)、仿真BOM(SBOM)，實現功能、性能參數的關聯和映射，實現方案設計和產品設計協同。

1.1 方案設計建模

MagicDraw系統建?？蚣艿?個支柱為需求、行為、結構、參數[12]，分別對應系統工程的需求模型→功能模型→邏輯模型→物理模型，形成規(guī)范化的建模流程，如圖2所示。

MagicDraw建模環(huán)境提供建模、分析和仿真功能，包括完整的SysML實施標準，配置文件、各類SysML圖等。

Mworks是新一代多領域工程系統建模、仿真、分析系統，基于Modelica語言建立基于模型的數學自動演繹體系，以端到端的模式實現系統數學體系的自動建立[13-14]。采用面向對象的結構化數學建模形式構建類、繼承、方程、組件、連接器和連接，實現能量流、質量流、信息流端口連接，實現不同物理領域模型的無縫集成。如圖3所示。

圖2 MagicDraw系統建?？蚣蹻ig.2 Magicdraw system modeling framework

圖3 Mworks物理建?？蚣蹻ig.3 Mworks physical modeling framework

1.2 產品設計建模

完成系統方案建模與閉環(huán)驗證工作之后，開展子系統詳細設計。在系統方案設計建模階段側重的是系統的功能分析與邏輯設計，而在詳細設計階段是基于邏輯層確定的最終系統設計方案進行各專業(yè)產品的詳細設計工作。通過三維幾何模型描述產品的設計信息；通過零部件之間的結構關聯關系體現系統設計的相關信息；在仿真設計軟件中對系統中涉及的機械部件、電子部件、軟件等不同學科進行仿真及優(yōu)化設計，并將仿真結果反饋到系統模型中，實現系統功能的自動仿真驗證，并根據仿真結果對系統設計模型進行優(yōu)化，如圖4所示。

1.3 協同設計

本項目通過Teamcenter實現與MagicDraw、NX、Ansys等工具/系統的集成。通過定制數據映射接口，雙向同步需求、功能、參數數據，由MagicDraw導出系統結構化參數，將模型元素導入Teamcenter作為原始物料清單(BOM)。通過接口配置集成實現在Teamcenter系統中查看和刪除追蹤參數信息，實現在MagicDraw工具中關聯產品詳細設計信息。

2 活動發(fā)射平臺支承臂設計實例

2.1 活動發(fā)射平臺支承臂設計流程

支承臂是活動發(fā)射平臺分系統，支承臂用于支撐、調平加注前后的火箭箭體，并具備自動調平功能。本文重點圍繞實現支承臂的結構強度安全系數不小于2，總質量不大于1 800 t，對加注前后的發(fā)射體進行垂直度調整，偏差不大于30′等主要參數進行正向設計，實現技術指標的跟蹤和閉環(huán)驗證?；顒影l(fā)射平臺支承臂設計流程如圖5所示。

圖4 產品設計與方案設計數據關聯Fig.4 Product design and scheme design data association

圖5 基于MBSE的活動發(fā)射平臺支承臂設計流程Fig.5 Design flow of supporting arm of movable launch platform based on MBSE

2.2 活動發(fā)射平臺系統建模

2.2.1 需求建模

通過創(chuàng)建需求模型“model”和需求表“Requirement Table”，將型號總體下發(fā)的word格式的總體設計任務書轉換為excel格式，導入系統中，如表1示例。

表1 活動發(fā)射平臺總體要求

按規(guī)則對需求進行編號，根據需求性質對需求進行轉化、分類，包括物理類需求(Physical Requirement)、功能類需求(Functional Requirement)、性能類需求(Performance Requirement)、約束類需求(Design Constraint)、接口類需求(Interface Re-quirement)等，需求示意圖如圖6所示。本文將質量指定為物理需求、垂直度為功能需求，承載安全為性能需求。

圖6 活動發(fā)射平臺需求建模Fig.6 Requirement modeling of movable launch platform

2.2.2 功能與邏輯建模型

通過用例圖(Used Case Diagram)創(chuàng)建用例并進行相關性分析，建立系統功能模型和邏輯模型，與活動發(fā)射平臺相關的系統包括箭體、發(fā)射場控制中心、地面加注供氣系統等，通過活動圖(Activity Diagram)展示系統動作場景、業(yè)務流程等。創(chuàng)建泳道圖(Swimlane)對活動按系統及外部參與者進行分類，如圖7所示。

圖7 活動發(fā)射平臺邏輯建模Fig.7 Logical modeling of movable launch platform

根據確定的活動圖進一步分析活動發(fā)射平臺與相關系統的交互信息(signal)，分配對象流，指定數據流方向、屬性、數據格式等，明確與外部系統(箭體、操作員、控制中心等)的輸入、輸出、數據接口。如圖8所示。

根據活動發(fā)射平臺系統輸入輸出接口，分析活動發(fā)射平臺內部子系統功能模塊，包括擺桿系統、電控系統、支承臂、轉換裝置、臺板、驅動控制系統等，分析各子系統之間的接口及數據流向，創(chuàng)建“Blackbox ICD Table”表，如圖9所示。

圖8 活動發(fā)射平臺與外部系統交互接口Fig.8 Interactive interface of movable launch platform and external system

圖9 活動發(fā)射平臺內部子系統接口及數據流Fig.9 Internal subsystem interface and data flow of movable launch platform subsystem

2.2.3 參數建模(MoEs)

在MoEs模型及模塊基礎上，創(chuàng)建值屬性并指定類型“Value Property”，包括“total_mass”“safety factory”等。垂直度通過Mworks建模驗證，如圖10所示。

2.2.4 活動發(fā)射平臺系統模型閉環(huán)驗證

完成需求建模、邏輯建模、參數建模后，通過系統仿真驗證需求滿足情況，并生成各分系統指標，各項指標滿足任務書要求“Satisfy”，如圖11所示。

2.3 支承臂子系統建模

2.3.1 支承臂需求、功能、邏輯、參數建模與分析

支承臂分析與建模過程同上，進一步分解為質量設計要求、承載要求、垂直度調整要求、調整范圍等。支承臂質量通過對各子系統進行分析、分解得到，且能關聯和追溯。

圖10 活動發(fā)射平臺關鍵參數建模Fig.10 Key parameter modeling of movable launch platform

圖11 活動發(fā)射平臺需求閉環(huán)Fig.11 Requirement closed-loop of movable launch platform

2.3.2 物理建模

通過Mworks工具搭建支承臂液壓控制模型，驗證液壓系統模型和控制策略是否滿足垂直度要求，生成垂直度仿真模型單元FMU，通過FMI接口導入MagicDraw，與支承臂參數模型集成，完成功能仿真驗證，如圖12和13所示。

2.4 MagicDraw與Teamcenter集成

在Teamcenter協同平臺中創(chuàng)建支承臂零組件Item，選擇版本“Item Revision”導入“支承臂子系統”，通過“值屬性配置”(Value Properties Configuration)建立Teamcenter與MagicDraw的“mass、safety_factory”等參數映射、關聯，如圖14所示。

2.5 支承臂結構設計與仿真

1)基于NX開展支承臂三維結構設計(選擇材料Iron_40，質量為1 854.50 kg)，數據直接存儲在Teamcenter中,如圖15所示。

圖12 基于Mworks支承臂物理建模Fig.12 Supporting arm physical modeling based on Mworks

圖13 支承臂參數模型Fig.13 Supporting arm parameter model

圖14 MagicDraw與Teamcenter集成Fig.14 Integration of MagicDraw and Teamcenter

2)在“CAE管理器”中創(chuàng)建SBOM，執(zhí)行數據映射，在進行仿真時，前處理工具選擇NX Nastr-an，求解器選擇Ansys，設置約束后進行應力分析，仿真結果直接保存在Teamcenter中，如圖16所示。

圖15 支承臂結構建模Fig.15 Structural modeling of supporting arm

圖16 支承臂有限元分析Fig.16 Finite element analysis modeling of supporting arm

2.6 閉環(huán)驗證

在MagicDraw中實現設計、仿真結果與參數模型同步，并進行閉環(huán)仿真驗證，如圖17所示。

圖17 仿真結果與參數模型同步Fig.17 Synchronization of simulation results with parameter model

3 結論

本文在某型號活動發(fā)射平臺支承臂設計中引入MBSE方法，通過MagicDraw進行需求分析和架構設計、通過Mworks進行多學科建模，通過NX、Ansys進行三維設計和仿真，并通過與Teamcenter協同平臺集成，實現了從方案設計到詳細設計關鍵參數的閉環(huán)驗證，提高任務參數指標的一致性和可追溯性，為活動發(fā)射平臺和其他航天產品設計提供了指導和借鑒。