空間環(huán)境模擬設(shè)備低溫系統(tǒng)研制中的軟件應(yīng)用及參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計

單巍巍，劉 洋，呂世增，李 昂，丁文靜

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

空間環(huán)境模擬設(shè)備的功能是為航天器及其部組件提供真空熱試驗時的真空、冷黑及熱輻射環(huán)境，其中冷黑環(huán)境由熱沉和低溫系統(tǒng)來實現(xiàn)。20 世紀90 年代，空間環(huán)境模擬設(shè)備的研制數(shù)量少、周期長，其設(shè)計理念沿用傳統(tǒng)的單一系統(tǒng)獨立設(shè)計和研制，無法做到分系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計；在設(shè)計成果上僅能運用理論公式計算并產(chǎn)生二維圖紙。隨著對空間環(huán)境模擬設(shè)備需求的日益增長以及計算機輔助分析技術(shù)的突飛猛進，這種傳統(tǒng)的設(shè)計模式和理念已遠遠不能滿足設(shè)計方和用戶的要求，而仿真建模和仿真分析成為最受關(guān)注的設(shè)計手段，在空間環(huán)境模擬設(shè)備研制中得到越來越多的應(yīng)用。

本文詳細闡述仿真軟件在空間環(huán)境模擬設(shè)備低溫系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用；針對參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計方法，依托Inventor 軟件平臺，對熱沉系統(tǒng)進行協(xié)同設(shè)計平臺開發(fā)；最后對氮系統(tǒng)零件庫的動態(tài)擴充提出思考和建議。

1 軟件應(yīng)用實例

1.1 FloMASTER 軟件

FloMASTER 軟件是用于一維系統(tǒng)設(shè)計的仿真平臺。在亞洲第三大空間環(huán)境模擬器KM8 的熱沉系統(tǒng)設(shè)計研制中，利用該軟件對熱沉整體結(jié)構(gòu)進行一維仿真，將流體網(wǎng)絡(luò)簡化為一系列流體管道元件組成[1]；分別對筒體熱沉、頂部熱沉、活動熱沉和頸部熱沉等的液氮循環(huán)流量分配進行仿真計算。以一段筒體熱沉作為分析對象，其三維模型如圖1 所示。一共有20 片脹板，采用中間進/中間出的供回液結(jié)構(gòu)，給定進口壓力和出口流量作為邊界條件，進行FloMASTER 的一維穩(wěn)態(tài)仿真計算，結(jié)果如圖2所示，圖中橫坐標為脹板序號，縱坐標為脹板內(nèi)的液氮流量。可以看到，在最中間的脹板流量最大，兩側(cè)逐漸減小，基本呈對稱分布。

圖 1 熱沉組件三維模型Fig. 1 3D model of shroud assembly

圖 2 筒體熱沉流量分配結(jié)果Fig. 2 Distributions of flowrate of cylindrical shroud

對于活動熱沉，采用的是Z 形供回液模式，在給定進口壓力和出口流量的邊界條件下，得到如圖3所示的流量分配結(jié)果。可看出，最中間的脹板流量最少，兩側(cè)逐漸增大，呈對稱分布。

圖 3 活動熱沉流量分配結(jié)果Fig. 3 Distribution of flowrate of the movable shroud

1.2 Fluent 軟件

運用Fluent 軟件，借助計算流體力學(xué)（CFD）原理和有限元方法對熱沉內(nèi)部的流動和換熱進行仿真計算，得到熱沉壁面溫度分布。使用三維圖形處理軟件Pro/E 建立脹板熱沉的三維模型，并將該模型導(dǎo)入Fluent 自帶的網(wǎng)格劃分軟件進行網(wǎng)格劃分、生成網(wǎng)格文件，然后導(dǎo)入Fluent 求解器中。設(shè)置壓力和流量邊界條件，定義脹板為不銹鋼材料，選取求解策略，得到筒體熱沉、頂部熱沉、活動熱沉和頸部熱沉的壁面溫度分布仿真結(jié)果，如圖4所示?？梢钥闯觯喊殡S液氮的整個流動方向，溫度逐漸升高；整個脹板的壁面溫度均低于100 K，達到技術(shù)要求。

圖 4 筒體熱沉、底部熱沉、活動熱沉和頸部熱沉的壁面溫度分布Fig. 4 Temperature distributions of the cylindrical shroud, the bottom shroud, the movable shroud and the auxiliary shroud

1.3 Pro/Engineer Mechanica

Pro/E 作為參數(shù)化建模軟件，可以快速建立直觀的三維立體模型。對于空間環(huán)境模擬器中的各種設(shè)備（如容器、熱沉等），運用Pro/E 建模都是很不錯的設(shè)計選擇。

同時，在CAE 方面，Pro/E Mechanica 具備分析機構(gòu)運動和結(jié)構(gòu)應(yīng)力的能力。Pro/E Mechanica 的集成模式方便用戶直接采用Pro/E 的實體模型來進行結(jié)構(gòu)分析，快速上手，節(jié)省二次建模時間。也就是說，通過Pro/E 前臺所建構(gòu)的幾何模型，可完全轉(zhuǎn)換到Pro/E Mechanica 中進行結(jié)構(gòu)/應(yīng)力分析。Pro/E Mechanica Structure 專門用于零件和組件模式下的結(jié)構(gòu)分析，其分析種類有靜態(tài)分析、模態(tài)分析、失穩(wěn)分析、接觸分析、預(yù)應(yīng)力分析以及振動分析等。

在某大型空間環(huán)境模擬器熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計中，首先使用Pro/E 進行熱沉的三維建模（如圖5 所示），然后借助Pro/E Mechanica 進行熱沉骨架的強度校核，結(jié)果見圖6 和圖7。

圖 5 熱沉部件的三維模型Fig. 5 3D model of each the shroud parts

圖 6 熱沉骨架工作狀態(tài)受力結(jié)果Fig. 6 Analysis result of stress of the heat sink skeleton under working condition

圖 7 骨架運輸狀態(tài)應(yīng)力計算結(jié)果Fig. 7 Analysis result of stress of the heat sink skeleton during transportation

Pro/E 下的Piping 模塊也同樣具有很強的工程實力，可以進行管道系統(tǒng)的建模和設(shè)計，包括自定義管道庫和規(guī)范化管道庫驅(qū)動設(shè)計。在大中型空間環(huán)境模擬器系統(tǒng)管路設(shè)計中，已經(jīng)運用Piping 模塊進行三維管道設(shè)計，通過參數(shù)驅(qū)動進行管道、閥門、法蘭等的創(chuàng)建和生成。首先對氮系統(tǒng)標準設(shè)備建模，裝配在設(shè)計位置；然后進入Piping 模式，進行管道布置，包括閥門、管接頭、法蘭等標準件的安裝和配置。圖8 為某大型空間環(huán)境模擬器氮系統(tǒng)的三維管路布局，根據(jù)圖中管道的不同顏色可以區(qū)分出其不同功能。另外，還可以通過三維管路模型統(tǒng)計出管道系統(tǒng)的各種參數(shù)，如管道規(guī)格、長度以及標準件等詳細信息。

圖 8 氮系統(tǒng)管路三維設(shè)計Fig. 8 3D design of piping for the nitrogen system

2 空間環(huán)境模擬設(shè)備參數(shù)化集成設(shè)計

無論在三維設(shè)計還是仿真計算中，建模往往是最耗費時間的，而空間環(huán)境模擬設(shè)備產(chǎn)品功能的相似性決定了其設(shè)計和研制在結(jié)構(gòu)上有很大的繼承性和延續(xù)性。因此，如何實現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動，簡化建模工作、提高設(shè)計效率是今后設(shè)計工作的當(dāng)務(wù)之急。另外，三維零件庫也是設(shè)計平臺中的重要組成部分——對于標準件，用戶僅需要從庫中提取即可實現(xiàn)快速裝配。因此，如何擴充三維零件庫也是需要研究的內(nèi)容之一。

2.1 參數(shù)化集成設(shè)計方法

空間環(huán)境模擬設(shè)備包含容器系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等分系統(tǒng)，不同分系統(tǒng)的設(shè)計人員使用的設(shè)計軟件平臺也不盡相同，如Inventor、Pro/E、SolidWorks 等。當(dāng)需要進行環(huán)境模擬設(shè)備各分系統(tǒng)整體裝配或進行設(shè)備布置時，不同的軟件平臺會造成無法對各分系統(tǒng)進行協(xié)同設(shè)計，從而導(dǎo)致重復(fù)性設(shè)計，影響了工作效率。

針對上述問題，對空間環(huán)境模擬設(shè)備各分系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備進行三維軟件的參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計開發(fā)。根據(jù)參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計理念，依托CAD/CAE 軟件和數(shù)據(jù)庫軟件進行二次開發(fā)，進行參數(shù)化建模設(shè)計，即：以Inventor 為開發(fā)平臺，使用C#為開發(fā)工具，開發(fā)出一款專門的空間環(huán)境模擬器數(shù)字化集成設(shè)計平臺。該平臺采用封裝隔離的方式，將Inventor的參數(shù)化相關(guān)功能進行封裝，并提供給上層模塊進行應(yīng)用調(diào)用，可使軟件平臺上層模塊不依賴于所使用的CAD 軟件。各系統(tǒng)的具體參數(shù)化建模流程參見圖9。該數(shù)字化集成設(shè)計平臺支持從整體布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計到分析的自動化輔助設(shè)計，并能實現(xiàn)設(shè)計方案及報告的自動生成。

圖 9 空間環(huán)境模擬器數(shù)字化集成設(shè)計平臺軟件參數(shù)化建模流程Fig. 9 Flow chart of parameter driven modeling of the digital integrated platform for space simulator design

2.2 熱沉系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計技術(shù)[2-5]的本質(zhì)是在可變參數(shù)的作用下，零件或系統(tǒng)能夠自動保持其原來的所有不變參數(shù)或主要結(jié)構(gòu)。參數(shù)化設(shè)計要求設(shè)計人員根據(jù)需求來建立這些參數(shù)的基本關(guān)系，使當(dāng)某些參數(shù)的數(shù)值發(fā)生改變時，參數(shù)間的關(guān)系維持不變。這些建立起來的約束關(guān)系則體現(xiàn)了設(shè)計人員的設(shè)計思想和意圖。通過參數(shù)化來驅(qū)動關(guān)鍵尺寸完成三維模型設(shè)計，與傳統(tǒng)的二維設(shè)計相比有很大優(yōu)越性，可節(jié)省重復(fù)操作軟件的時間，編輯友好人機交互界面，降低專業(yè)軟件使用難度，更適合于結(jié)構(gòu)一致但需要修改關(guān)鍵尺寸的產(chǎn)品，例如熱沉。

在提出在線參數(shù)化驅(qū)動零件設(shè)計的思路后，如何將成熟的產(chǎn)品參數(shù)抽取、總結(jié)成為驅(qū)動化參數(shù)對設(shè)計者來說是最關(guān)鍵的一步。以低溫系統(tǒng)中的熱沉為例。熱沉屬于非標零件，但同等尺寸系列和形式的熱沉又有著重要的共同特征；對于不同尺寸的熱沉，因為結(jié)構(gòu)形式有其各自特點，不同尺寸的熱沉模型或設(shè)計圖紙不可通用、互換，因此有大量設(shè)計出圖工作需要不斷重復(fù)。如何提煉參數(shù)以便通過關(guān)鍵參數(shù)的驅(qū)動完成熱沉的基本三維模型設(shè)計是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。圖10 所示為臥式熱沉的參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計流程。圖11 為用戶與軟件的交互窗口，可以進行修改參數(shù)、重新生成模型等操作。圖12 為基于設(shè)計流程思想，依托數(shù)字化平臺軟件得到的熱沉三維模型。在這款開發(fā)軟件中，針對新的設(shè)計任務(wù)，設(shè)計人員不需要對熱沉脹板、骨架等零部件重新建模，僅需要對熱沉的關(guān)鍵參數(shù)進行輸入或修改，即可生成熱沉三維效果圖，大大節(jié)省了建模的時間，提升了工作效率。

圖 10 熱沉參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計流程Fig. 10 Flowchart of parameter driving design of shrouds

圖 11 熱沉參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計交互窗口Fig. 11 Interactive interface between user and software

圖 12 熱沉參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計結(jié)果輸出Fig. 12 Output results of parameter driving design of shrouds

2.3 氮系統(tǒng)零件資源的動態(tài)擴充

對氮系統(tǒng)來說，既有標準件也有非標件。標準件主要指閥門（包括低溫手動閥和低溫氣動閥門）、泵、貯槽、壓縮機和傳感器等。對于標準件來說，零件庫的擴充需要跟上產(chǎn)品更新的速度。因此，更新標準件的零件庫是一項重要任務(wù)。

研究認為，關(guān)于三維零件的零件庫建立和擴充，模型模板和參數(shù)系列的數(shù)據(jù)存儲方法是比較節(jié)省系統(tǒng)維護和系統(tǒng)規(guī)模的一種方法[6]。以低溫氣動調(diào)節(jié)閥門為例，對于統(tǒng)一品牌和型號的氣動閥門，其外觀基本一致，只在閥門通徑上存在區(qū)別。故可在已經(jīng)建立的零件庫中存入氣動閥的模型模板和參數(shù)列表，若想生成同類型不同通徑尺寸的氣動閥，則調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的氣動閥模型模板，修改相應(yīng)參數(shù)，以生成新的氣動閥門模型。

非標件主要是大量的不銹鋼金屬保溫管道。氮系統(tǒng)的設(shè)計工作主要集中在管道布置及流程設(shè)計上。如果通過傳統(tǒng)的掃描操作來實現(xiàn)管道設(shè)計，則管路的修改、替換等操作難于實現(xiàn)，會產(chǎn)生大量的重復(fù)性工作，造成效率低下、耗費時間長。因此，對于非標件來說，需要通過參數(shù)化驅(qū)動來實現(xiàn)管道的布置和修改等。如前所述，在大中型空間環(huán)境模擬器系統(tǒng)管路設(shè)計中，已經(jīng)運用Pro/E 的Piping 模塊進行三維管道設(shè)計，取得了生動的三維效果。

然而，氮系統(tǒng)和其他分系統(tǒng)因為軟件平臺的不同而缺乏相互的信息共享和有效聯(lián)系。今后，應(yīng)將各種軟件間的數(shù)據(jù)交互及信息共享作為提升設(shè)計能力，實現(xiàn)協(xié)同化設(shè)計工作的核心。

3 結(jié)束語

為縮短空間環(huán)境模擬設(shè)備的研制周期，快速響應(yīng)各環(huán)境模擬設(shè)備的研制需求，各分系統(tǒng)的設(shè)計效率亟待提高。本文敘述并運用參數(shù)化設(shè)計的基本原理，通過對專業(yè)模型參數(shù)化技術(shù)的研究，給出參數(shù)化的各主要節(jié)點和驅(qū)動設(shè)計流程；并以熱沉系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計為例，驗證了設(shè)計流程的有效性。最后，對氮系統(tǒng)的零件庫動態(tài)擴充進行初步的探討，為將來深入研究奠定了基礎(chǔ)。