基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)研究

姚 駿 王志瑾 袁金如

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基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)研究

姚 駿1，2王志瑾1袁金如2

（1. 南京航空航天大學(xué)，南京 210016；2. 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

提出了基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計方法，以整星主控骨架為統(tǒng)一源頭，將關(guān)鍵幾何尺寸與基準縱向派生形成各專業(yè)骨架模型，利用各專業(yè)接口骨架模型實現(xiàn)接口信息橫向傳遞，由此開展協(xié)同設(shè)計。該方法在某衛(wèi)星工程研制中得到了全面應(yīng)用，顯著提高了整星三維協(xié)同設(shè)計效率和質(zhì)量控制水平，具有較大的推廣應(yīng)用價值。

衛(wèi)星；三維協(xié)同設(shè)計；主控骨架

1 引言

衛(wèi)星構(gòu)型組成復(fù)雜、專業(yè)覆蓋廣泛，研制過程中技術(shù)狀態(tài)變更、迭代、優(yōu)化等高度交叉重疊，屬于典型的跨專業(yè)、跨領(lǐng)域、跨單位協(xié)同開發(fā)的產(chǎn)品[1]。

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，基于三維設(shè)計環(huán)境開展的衛(wèi)星協(xié)同設(shè)計已經(jīng)全面應(yīng)用，越來越多的設(shè)計信息依賴三維模型表達，使得三維數(shù)字化模型承載的設(shè)計信息日趨復(fù)雜和多樣[2～5]?？傮w構(gòu)型布局模型作為整星系統(tǒng)設(shè)計的頂層模型，需要承載傳統(tǒng)模式下表達各艙段組成及艙板搭接關(guān)系的整星構(gòu)型設(shè)計信息、星上設(shè)備布局狀態(tài)信息，同時需向各專業(yè)傳遞設(shè)計意圖和設(shè)計狀態(tài)信息。這種集中而復(fù)雜的信息承載直接導(dǎo)致總體構(gòu)型布局模型所表達的信息、記錄的參數(shù)超量繁多，模型體量龐大，三維協(xié)同設(shè)計過程中極易出現(xiàn)因總體構(gòu)型布局模型承載超量設(shè)計信息而無法對整星狀態(tài)進行有效快速的迭代修改和優(yōu)化調(diào)整，嚴重影響了總體與各專業(yè)的設(shè)計協(xié)同和信息交互，給衛(wèi)星研制帶來極高的技術(shù)風(fēng)險和隱患。

鑒于以上問題，本文提出了基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計方法，以主控骨架為載體，利用外部復(fù)制幾何派生出各專業(yè)骨架模型，通過整星關(guān)鍵幾何尺寸與基準驅(qū)動，實現(xiàn)主控骨架模型向各專業(yè)骨架模型的縱向快速修改迭代；基于各專業(yè)骨架模型，開展布局設(shè)計并提取元件安裝接口信息，以各專業(yè)接口骨架模型為載體，進行專業(yè)間接口信息橫向傳遞，降低了接口傳遞的模型體量。由此，形成了衛(wèi)星“縱”與“橫”兩個維度的主控骨架體系，在此基礎(chǔ)上開展各專業(yè)間的三維協(xié)同設(shè)計。

2 衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計現(xiàn)狀

三維協(xié)同設(shè)計是指總體及各專業(yè)在三維設(shè)計環(huán)境下進行的分布式并行協(xié)調(diào)設(shè)計，包括設(shè)計表達、設(shè)計約束和設(shè)計協(xié)調(diào)等三個核心要素。這三個核心要素反映到設(shè)計模式上，主要體現(xiàn)在三個方面：一是上下級設(shè)計表達之間的縱向控制關(guān)系；二是并行設(shè)計之間的橫向約束關(guān)系；三是各專業(yè)間可能產(chǎn)生設(shè)計沖突的協(xié)調(diào)關(guān)系。

當(dāng)前，衛(wèi)星總體負責(zé)整星構(gòu)型（骨架）和單機布局設(shè)計，結(jié)構(gòu)、熱控、電路、推進等專業(yè)基于整星構(gòu)型布局模型分別開展衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、熱控、電纜網(wǎng)、推進管路協(xié)同設(shè)計，最后由總體實現(xiàn)整星模型完整集成。其中，整星構(gòu)型和單機布局模型是耦合在一起的。整星協(xié)同設(shè)計時，總體與各專業(yè)之間存在大量信息交互、迭代，各種技術(shù)狀態(tài)變化引起衛(wèi)星總體骨架經(jīng)常發(fā)生變更，導(dǎo)致各專業(yè)模型狀態(tài)不穩(wěn)定，繼而影響整星協(xié)同設(shè)計效率和質(zhì)量。

從三維協(xié)同設(shè)計要素和模式上看，其本質(zhì)上歸屬于自頂向下設(shè)計理念范疇。目前，國內(nèi)外對于自頂向下設(shè)計理念進行了不同程度的研究，特別是在多骨架模型方面取得了建設(shè)性的成果[6～8]?；诙喙羌苣Ｐ偷淖皂斚蛳略O(shè)計方法，即在產(chǎn)品橫向設(shè)計上采用多功能骨架模型，對設(shè)計參數(shù)進行分類管理，形成有效的設(shè)計參數(shù)受控發(fā)布；在產(chǎn)品縱向設(shè)計上采用多層次骨架模型，對設(shè)計參數(shù)進行分層控制，避免設(shè)計單元重用時的參照關(guān)系混亂。由此，在傳統(tǒng)的基于單一骨架作為傳遞設(shè)計意圖載體的基礎(chǔ)上，多骨架模型對設(shè)計參數(shù)進行分類管理和分層控制，從而實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)的受控發(fā)布。但是，針對衛(wèi)星這種復(fù)雜的、特殊的系統(tǒng)性工程產(chǎn)品，重點需要突破總體與各專業(yè)、各專業(yè)之間直接協(xié)同設(shè)計的瓶頸，單純采用多骨架模型作為傳遞設(shè)計意圖載體，并不能完全解決設(shè)計過程中的迭代問題。

3 基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計方法

本文提出的基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計方法，高度契合當(dāng)前衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計中的需求，在設(shè)計意圖的傳遞和交互上進行縱深式和橫跨式的層級并行控制，在整星構(gòu)型布局模型基礎(chǔ)上剝離其所承載的具體設(shè)計信息及相應(yīng)的內(nèi)容和參數(shù)，統(tǒng)籌提取衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計時的核心信息并進行頂層控制和約束，形成整星主控骨架體系并開展三維協(xié)同設(shè)計。

3.1 基于主控骨架體系的縱向協(xié)同

在進行跨專業(yè)的分布式協(xié)同設(shè)計時，定義清晰明確的設(shè)計基準，將這一設(shè)計基準固化并傳遞至所有相關(guān)專業(yè)。

在傳統(tǒng)的自頂向下設(shè)計模式中，首先按照各專業(yè)劃分模塊，并在頂層模型或骨架模型中定義各專業(yè)接口關(guān)系；然后在一定層級的設(shè)計模型中進行設(shè)計表達約定（包含幾何包絡(luò)、設(shè)計參數(shù)、設(shè)計規(guī)范等），主要載體形式為三維骨架或二維布局圖等。雖然這種方式較為直觀并能實現(xiàn)預(yù)定義，但由于信息承載量限制，通常只能應(yīng)用于關(guān)鍵設(shè)計信息的控制和傳遞。

通過對整星構(gòu)型設(shè)計要素的提取剝離，對原本作為設(shè)計基準和參數(shù)源頭的總體骨架模型進行深度挖掘，將負責(zé)表達整星基準、外形包絡(luò)、主承力結(jié)構(gòu)、艙板搭接關(guān)系和涉及專業(yè)間約束的穿艙孔等信息內(nèi)容予以整合，固化成主控骨架；同時，將總體專業(yè)骨架模型中承載星上設(shè)備布局狀態(tài)信息降維，形成總體專業(yè)骨架模型，如圖1所示。

圖1 主控骨架與專業(yè)骨架縱向傳遞關(guān)系

基于主控骨架模型體系，對整星設(shè)計基準進行有效減負，確保設(shè)計基準的定義清晰明確；對總體專業(yè)骨架模型進行降維，將原本高度耦合的設(shè)計表達予以解耦并分級區(qū)分，在主控骨架和總體專業(yè)骨架模型之間形成縱向控制關(guān)系，確保自頂向下的控制關(guān)系嚴格單向；對主控骨架模型進行縱向控制，確保各專業(yè)間設(shè)計基準來源統(tǒng)一，避免設(shè)計基準傳遞混亂和失控。

3.2 基于主控骨架體系的橫向協(xié)同

橫向協(xié)同時，各專業(yè)詳細設(shè)計需要將其間存在的約束傳遞并在各自狀態(tài)中予以響應(yīng)。由于物理上的獨立分布，設(shè)計過程中各專業(yè)之間的交互協(xié)調(diào)往往不夠充分，且各專業(yè)設(shè)計進程不一，相互之間的設(shè)計優(yōu)先級不明確，多專業(yè)的平行設(shè)計難以開展。在這種情況下，各專業(yè)間的雙向約束往往無法充分傳遞，極易引起本專業(yè)狀態(tài)確定后與其他專業(yè)產(chǎn)生設(shè)計沖突。

基于主控骨架體系進行協(xié)同設(shè)計，可以利用主控骨架所定義的單向統(tǒng)一設(shè)計基準，直接建立各專業(yè)平行設(shè)計狀態(tài)下的協(xié)同設(shè)計環(huán)境。將各專業(yè)輸入/輸出的接口信息進行整合，一方面提取不占用物理接口的非空間占位信息，將該類信息在源模型中進行相應(yīng)的特殊標記并整合到各專業(yè)骨架模型中，借用各專業(yè)骨架模型作為傳遞載體實現(xiàn)各專業(yè)間的橫向約束傳遞；另一方面，按照分類原則收集各專業(yè)的各類接口信息，并將這些接口信息全部整合到各專業(yè)接口骨架模型中，以各專業(yè)接口骨架模型作為傳遞載體實現(xiàn)各專業(yè)間的橫向約束傳遞。從圖2看出，基于主控骨架體系的橫向協(xié)同，將各專業(yè)間設(shè)計約束信息的傳遞和交互，全部約束在利用主控骨架所定義的單向統(tǒng)一設(shè)計基準和各專業(yè)平行設(shè)計狀態(tài)下的協(xié)同設(shè)計環(huán)境下，分別由接口骨架、接口模型作為載體實施。

圖2 基于主控骨架的橫向協(xié)同

4 基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計應(yīng)用

4.1 主控骨架體系的建立和縱向控制

衛(wèi)星建立主控骨架體系，根據(jù)構(gòu)型特點將整星骨架模型劃分為整星、艙段、艙板三個層級，見圖3。

圖3 主控骨架分層表達的信息

整星骨架主要表達整星構(gòu)型、艙板構(gòu)型、艙段位置尺寸、艙板位置尺寸、艙板主要尺寸、承力筒主要尺寸等信息，如衛(wèi)星基準坐標、衛(wèi)星基準面、衛(wèi)星輪廓、艙段基準坐標、承力筒輪廓、衛(wèi)星艙板輪廓、艙板厚度、搭接關(guān)系等。艙段骨架主要從整星骨架中繼承艙段所屬艙板構(gòu)型、艙板位置尺寸、艙板主要尺寸等信息來表達艙段的主要尺寸信息，如艙段基準坐標、承力筒骨架曲面、艙板骨架曲面、艙板厚度、搭接關(guān)系等。艙板骨架主要表達艙板細化的尺寸等信息，如艙板基準坐標、艙板開口、穿艙孔、壓緊點安裝座等。

按照以上分層，既保證了信息的有效傳遞，又加強了關(guān)鍵信息的縱向控制，圖4為主控骨架模型的構(gòu)建過程。

圖4 主控骨架模型的構(gòu)建過程

4.2 主控骨架體系的設(shè)計基準分發(fā)

圖5 基于主控骨架派生的各專業(yè)模型

主控骨架作為其他五個專業(yè)的父級骨架，承擔(dān)整星的構(gòu)型工作。除體現(xiàn)幾何輪廓外，主控骨架模型還體現(xiàn)整星的艙段分配及裝配層級關(guān)系，梳理整星的拓撲關(guān)系如圖5所示，主控骨架模型有完整精確的衛(wèi)星輪廓尺寸，也有明確的層級裝配關(guān)系。主控骨架模型如進行構(gòu)型調(diào)整，其他各專業(yè)的模型在構(gòu)型層面隨之更新；主控骨架模型如進行拓撲關(guān)系調(diào)整，其他各專業(yè)的模型在拓撲關(guān)系層面可以更新。

4.3 主控骨架體系的橫向并行設(shè)計

基于主控骨架體系的多專業(yè)協(xié)同，各專業(yè)橫向設(shè)計之間也具有統(tǒng)一的設(shè)計基準。衛(wèi)星總體、電路、熱控、推進、結(jié)構(gòu)等專業(yè)同時作為主控骨架模型的直接子級，具有相同的構(gòu)型設(shè)計參照和接口信息。

橫向協(xié)同設(shè)計時，對非空間占位的接口信息進行整理，如結(jié)構(gòu)艙板安裝孔開孔信息、熱控噴漆避讓腳印信息等。將該類信息在源模型中進行特殊標記，以骨架模型作為傳遞載體來收集各類接口信息。由于接口骨架中只收集了必要的接口信息，摒棄了冗余信息，縮減了傳遞數(shù)據(jù)量，既降低了對計算機資源的要求，又避免冗余信息的干擾。

結(jié)構(gòu)艙板設(shè)計模型收集接口骨架中所包含的空間點集、曲面面組等信息，并直接向結(jié)構(gòu)部件實體化模型映射，通過三維特征編輯，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)部件自動化實體模型創(chuàng)建，如圖6、圖7所示。

圖6 基于接口骨架的安裝接口信息提取

圖7 基于接口骨架開展結(jié)構(gòu)設(shè)計的艙板模型

4.4 某型號應(yīng)用情況

基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計方法，在某衛(wèi)星詳細工程設(shè)計中得到了應(yīng)用驗證，圓滿實現(xiàn)了從整星到單機的自頂向下以及從單機到整星的自底向上的雙向數(shù)字化協(xié)同設(shè)計，涵蓋了總體布局、結(jié)構(gòu)、熱控、電纜網(wǎng)等多個專業(yè)。圖8為該衛(wèi)星基于主控骨架體系的三維協(xié)同設(shè)計模型。

圖8 某衛(wèi)星基于主控骨架體系的三維協(xié)同設(shè)計模型

5 結(jié)束語

某衛(wèi)星設(shè)計中的應(yīng)用實踐表明，利用主控骨架體系開展三維協(xié)同設(shè)計，有效加強了設(shè)計表達的傳遞和交互，實現(xiàn)了設(shè)計表達的縱向控制、橫向并行和設(shè)計沖突的平抑調(diào)和，邏輯關(guān)系清楚，各級分工明確。

基于主控骨架體系的三維協(xié)同設(shè)計，體現(xiàn)了設(shè)計上下游的高內(nèi)聚、設(shè)計專業(yè)間低耦合的狀態(tài)，適應(yīng)了“分布、并行、協(xié)同”的數(shù)字化要求，顯著提高了衛(wèi)星設(shè)計效率和工作質(zhì)量。目前該方法已在多個衛(wèi)星型號上成功應(yīng)用，可推廣應(yīng)用至其他航天器、飛機、船舶等大型復(fù)雜工程產(chǎn)品。

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Research on Three-dimensional Collaborative Whole-satellite Design Method Based on Master Control Skeleton System

Yao Jun1, 2Wang Zhijin1Yuan Jinru2

(1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016; 2. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109)

This paper elaborates on a three-dimensional collaborative whole-satellite design method based on a master control skeleton system. With the master control skeleton system as the uniform source, its key geometrical sizes and benchmarks can derive synchronously the skeleton models for all involved multiple specialties. With the master control skeleton system at the core of all the multi-specialty skeleton systems, the interfaces of each specialty’s skeleton system can be used to transfer interface information, which enables a three-dimensional collaborative design both horizontally and vertically. Such a method has been adopted comprehensively in a satellite design, which significantly improved the efficiency of the three-dimensional collaborative whole-satellite design and quality control. Therefore, it is worth wider applying.

satellite；three-dimensional collaborative design；master control skeleton

姚駿（1973），研究員，航天器工程專業(yè)；研究方向：數(shù)字化設(shè)計與仿真、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與機構(gòu)設(shè)計等。

2019-04-28