基于自頂向下模式的液體火箭發(fā)動機骨架模型設(shè)計

秦紅強，張相盟，張曉光，王 猛

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

基于自頂向下模式的液體火箭發(fā)動機骨架模型設(shè)計

秦紅強，張相盟，張曉光，王 猛

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

基于自頂向下設(shè)計模式，在Pro/E和Intralink平臺上實現(xiàn)了液體火箭發(fā)動機骨架模型設(shè)計。采用多層骨架設(shè)計方案，簡化了發(fā)動機骨架模型，實現(xiàn)了組合件發(fā)布骨架模型并行設(shè)計，提高了工作效率。通過將組合件空間位置、輪廓尺寸、接口方位和接口結(jié)構(gòu)要求包含在骨架模型中，用骨架模型替代了傳統(tǒng)設(shè)計模式中的二維結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，實現(xiàn)了無紙化接口協(xié)調(diào)，提高了接口協(xié)調(diào)的準(zhǔn)確性和實時性。研究結(jié)果表明，基于自頂向下模式的骨架模型設(shè)計可顯著提高發(fā)動機研制效率，降低研制成本。

自頂向下模式；液體火箭發(fā)動機；并行設(shè)計；骨架模型；接口協(xié)調(diào)

0　引言

隨著數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)、并行設(shè)計工程理念的發(fā)展，三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計與制造正在從根本上動搖著傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動機研制模式[1-2]。

在目前的液體火箭發(fā)動機研制中，發(fā)動機總體通過二維結(jié)構(gòu)設(shè)計要求明確各組合件的輪廓尺寸、接口方位和接口形式等要求，在得到組合件三維模型后才能開展發(fā)動機詳細(xì)布局方案設(shè)計。該設(shè)計模式雖然可以實現(xiàn)發(fā)動機總體與組合件的接口協(xié)調(diào)，但信息傳遞和交換比較麻煩且實時性差，很容易出現(xiàn)組合件設(shè)計方案和發(fā)動機總體要求不一致的現(xiàn)象，研制周期較長。

本文結(jié)合某液體火箭發(fā)動機三維數(shù)字化協(xié)同研制現(xiàn)狀，論述了基于自頂向下模式的液體火箭發(fā)動機骨架模型設(shè)計方案、流程和無紙化接口協(xié)調(diào)成果等，促進了新型液體火箭發(fā)動機研制模式的推廣。

1　自頂向下設(shè)計

目前大多數(shù)機械產(chǎn)品的三維設(shè)計仍沿用傳統(tǒng)的自底向上設(shè)計 (Bottom-Up)方法。在整個產(chǎn)品設(shè)計過程中，沒有發(fā)揮產(chǎn)品總體的統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)作用，一些重要的設(shè)計信息、裝配關(guān)系沒有得到建立和控制，很容易造成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案反復(fù)，研制效率較低。

自頂向下設(shè)計 (Top-Down)是一種高效的、與設(shè)計流程高度契合的產(chǎn)品設(shè)計方法。該設(shè)計方法能有效把握設(shè)計意圖，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)清晰，便于在產(chǎn)品總體與各組合件之間迅速可靠地傳遞設(shè)計信息[3-8]。它與傳統(tǒng)的自底向上設(shè)計 (Bottom-Up)相比更適合復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計思路。

2　發(fā)動機骨架模型設(shè)計

2.1骨架模型

骨架模型是一種特殊的Pro/E文件，一般僅包含參考平面、軸線、點、坐標(biāo)系和曲面等。它勾畫了產(chǎn)品的空間位置、輪廓尺寸和接口形式等，是組件設(shè)計和發(fā)動機裝配的重要參考[7]。

骨架模型具有模塊化設(shè)計，表達運動關(guān)系，實現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計等特點，是實現(xiàn)自頂向下設(shè)計的強有力工具[2]。

2.2平臺選擇及工作流程

為了開展骨架模型設(shè)計和便于與火箭總體進行結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)，某液體火箭發(fā)動機研制中選擇了PTC公司的Pro/E 4.0作為CAD設(shè)計軟件，并采用Intralink作為數(shù)據(jù)管理和協(xié)同共享平臺。

產(chǎn)品設(shè)計人員首先利用Pro/E軟件在工作區(qū)內(nèi)完成模型設(shè)計，然后通過檢入操作將數(shù)據(jù)上傳至Intralink服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)載入和共享。模型發(fā)生修改時，首先將其檢出到工作區(qū)，完成修改后再執(zhí)行檢入操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新，具體工作流程見圖1。

圖1　工作流程Fig.1　Working process

2.3發(fā)動機骨架模型方案選擇

對于結(jié)構(gòu)簡單產(chǎn)品的設(shè)計，產(chǎn)品總體骨架模型一般為一個模型文件，它里面包含了對所有零部組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。由于液體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組件數(shù)量多，若將所有結(jié)構(gòu)設(shè)計要求集中在一個模型中，既不便于發(fā)動機骨架模型設(shè)計、完善、更改和管理，也無法開展各組合件骨架模型的并行設(shè)計，設(shè)計效率嚴(yán)重降低。

為了簡化發(fā)動機骨架模型，同時便于并行開展各組合件骨架模型設(shè)計，某液體火箭發(fā)動機采用了多層骨架模型設(shè)計方案，對發(fā)動機骨架模型進行了細(xì)化分解。如圖2所示，發(fā)動機骨架模型為一個組件模型文件，它下面包含了發(fā)動機位置骨架模型和所有組合件發(fā)布骨架模型。采用該方案后，發(fā)動機骨架模型的結(jié)構(gòu)變得更加清楚。各組合件發(fā)布骨架模型也可單獨、并行設(shè)計，同時也方便了組合件設(shè)計人員接收總體要求。單獨的組合件發(fā)布骨架模型還可以直接用于衍生型號發(fā)動機骨架模型設(shè)計中，提高研制效率[8]。

圖2　發(fā)動機骨架模型結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure of engine skeleton model

2.4發(fā)動機位置骨架設(shè)計

位置骨架是發(fā)動機骨架模型的核心，更是發(fā)動機三維模型裝配的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。位置骨架是根據(jù)發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計的，主要用于明確各組合件的空間安裝位置和定位要求。位置骨架主要包含發(fā)動機與火箭總體的對接安裝坐標(biāo)系、發(fā)動機設(shè)計零點坐標(biāo)系和各組合件安裝及定位坐標(biāo)系等。

在發(fā)動機位置骨架中，發(fā)動機設(shè)計零點坐標(biāo)系最為重要，它是整個位置骨架的設(shè)計基準(zhǔn)，并決定了組合件安裝坐標(biāo)系的定義方式。一般應(yīng)結(jié)合發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)布局方案和裝配方案選擇發(fā)動機設(shè)計零點坐標(biāo)系的位置及方向定義，其余組合件安裝坐標(biāo)系均直接或間接參考發(fā)動機設(shè)計零點坐標(biāo)系進行設(shè)計。發(fā)動機位置骨架與發(fā)動機總體布局方案緊密相關(guān)，一般由負(fù)責(zé)發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)布局方案論證的設(shè)計人員進行設(shè)計和完善。

2.5組合件發(fā)布骨架模型設(shè)計

組合件發(fā)布骨架模型用于明確發(fā)動機總體對各組合件的輪廓尺寸、接口方位和接口結(jié)構(gòu)尺寸等設(shè)計要求，也是發(fā)動機骨架模型設(shè)計的主要內(nèi)容。組合件發(fā)布骨架模型不是一次就完成設(shè)計，需要發(fā)動機總體與組合件之間進行多輪次的設(shè)計協(xié)調(diào)。通過建立組合件發(fā)布骨架模型，實現(xiàn)了用骨架模型傳遞組合件結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，完成了發(fā)動機總體與組合件之間的無紙化接口協(xié)調(diào)，提高了接口協(xié)調(diào)的準(zhǔn)確性和實時性。

圖3　閥門發(fā)布骨架模型Fig.3　Valve issuing skeleton model

組合件發(fā)布骨架模型的主要設(shè)計內(nèi)容一般包括：

1)定義組合件安裝坐標(biāo)系；

2)組合件輪廓尺寸要求；

3)對外接口坐標(biāo)系定義；

4)對外接口具體連接形式設(shè)計；

5)定義發(fā)布幾何；

6)三維標(biāo)注；

7)其它設(shè)計要求。

都可作為大飯店、小門臉的對聯(lián)，既淺白明了，又有招徠顧客的作用，可謂言簡意賅。節(jié)日大家在烹制美味的時候，留意一些烹調(diào)對聯(lián)，自然妙不可言。

組合件發(fā)布骨架模型設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點：

1）組合件安裝坐標(biāo)系應(yīng)與發(fā)動機位置骨架中的安裝坐標(biāo)系保持一致；

2）所有對外接口應(yīng)設(shè)置獨立的定位坐標(biāo)系，便于后續(xù)模型裝配和總裝管路設(shè)計；

3） 定義發(fā)布幾何時只選擇明確發(fā)動機總體對組合件具體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的特征元素，不包含建模過程中的輔助定義特征；

4） 三維標(biāo)注僅針對組合件輪廓尺寸、接口方位、接口尺寸和其余結(jié)構(gòu)要求。

圖3為按照上述要求完成的某閥門發(fā)布骨架模型。

基于自頂向下設(shè)計模式，最終完成的某液體火箭發(fā)動機骨架模型見圖4。實踐表明該研制模式可以大幅提高研制效率，降低研制成本。

圖4　發(fā)動機骨架模型Fig.4　Engine skeleton model

3　組合件骨架模型設(shè)計

組合件在得到發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計要求和組合件發(fā)布骨架模型后，便可開展詳細(xì)方案設(shè)計。在組合件進行結(jié)構(gòu)方案詳細(xì)設(shè)計時，首先應(yīng)結(jié)合組合件發(fā)布骨架模型和組合件結(jié)構(gòu)方案建立組合件骨架模型，具體流程如下：

1）建立空的組合件骨架模型；

2）從組合件發(fā)布骨架模型中復(fù)制發(fā)布幾何；

3）細(xì)化和完善組合件骨架模型；

4）定義下級零部組件發(fā)布幾何。

組合件骨架模型設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點：

1） 復(fù)制幾何時一般應(yīng)只復(fù)制發(fā)布幾何，不再復(fù)制其余特征元素；

2） 當(dāng)組合件發(fā)布骨架模型出現(xiàn)更改時，組合件骨架模型應(yīng)及時更新以得到最新結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，并對組合件骨架模型進行完善和更改；

3）若組合件結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，參照發(fā)動機骨架模型設(shè)計方案將組合件骨架模型設(shè)計成多層骨架。

4　結(jié)論

在Pro/E和Intralink設(shè)計平臺上，基于自頂向下設(shè)計模式，采用多層骨架設(shè)計方案，完成了某液體火箭發(fā)動機的骨架模型設(shè)計，結(jié)果表明：

1） 自頂向下設(shè)計模式符合復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計思路，可有效發(fā)揮產(chǎn)品總體的統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)作用，提高產(chǎn)品研制效率；

2） 多層骨架設(shè)計方案可以簡化發(fā)動機骨架模型，并便于實現(xiàn)組合件骨架并行設(shè)計；

3） 骨架模型可以完全替代傳統(tǒng)研制模式中的二維發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，快速、準(zhǔn)確實現(xiàn)發(fā)動機總體與組合件之間的無紙化接口協(xié)調(diào)，降低研制成本；

4） 基于自頂向下的骨架模型設(shè)計可推廣應(yīng)用于其它型號液體火箭發(fā)動機設(shè)計。

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（編輯：王建喜）

Design of liquid rocket engine skeleton model based on top-down mode

QIN Hongqiang,ZHANG Xiangmeng,ZHANG Xiaoguang,WANG Meng
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

Based on the top-down mode,the design of liquid rocket engine skeleton model was finished on the platform of Pro/E and Intralink.With the application of multi-layer skeleton design scheme,the engine skeleton model was simplified,the concurrent design of the assembly issuing skeleton model was realized and the work efficiency was greatly improved.The paperless interface coordination was achieved by replacing the 2D structure design requirement in traditional design mode with the skeleton model,in which the space position,overall dimension,interface orientation and interface structure requirement of the assembly were included.Meanwhile,the veracity and real-time performance of the interface coordination were improved.The research results indicate that the skeleton model design based on the top-down mode can remarkably increase the development efficiencyand decrease the development cost ofthe engine.

top-down mode;liquid rocket engine;concurrent design;skeleton model;interface coordination

V434-34

A

1672-9374(2016)04-0058-04

2015-07-20；

2015-10-13

國家863項目（2013AA7023021）

秦紅強（1983—），男，碩士，研究領(lǐng)域為液體火箭發(fā)動機總體設(shè)計