史淑娟, 王儒文, 劉 江, 曹文利
(北京宇航系統(tǒng)工程研究所,深低溫技術(shù)研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100076)
1956年,在達(dá)特茅斯學(xué)院的學(xué)術(shù)討論會(huì)上,麥卡錫等人提出了人工智能學(xué)科,并將其定義為“讓機(jī)器做本來(lái)需要人的智能才能做到的事情的一門科學(xué)”[1]。人工智能在近20年來(lái)獲得了迅速發(fā)展,已經(jīng)向科技、醫(yī)療、交通、教育等眾多領(lǐng)域的諸多環(huán)節(jié)滲透。人工智能是在自動(dòng)感知外部信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析,并最終做出決策的信息系統(tǒng)。具有獲取知識(shí)、分析理解、判斷決策的能力,這些能力將開發(fā)用于延續(xù)和拓展人的智慧,從而更好地服務(wù)于眾多領(lǐng)域。
火箭管路系統(tǒng)研制是一項(xiàng)綜合流體、機(jī)械、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、熱學(xué)等眾多學(xué)科的系統(tǒng)工程, 在其設(shè)計(jì)、制造和裝配過(guò)程中,均涉及到多學(xué)科的耦合,但較多依賴工程經(jīng)驗(yàn)。 “工業(yè)4.0”的來(lái)襲和人工智能技術(shù)在國(guó)內(nèi)外各行業(yè)的快速發(fā)展應(yīng)用,為火箭管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、裝配等環(huán)節(jié)的效率提升,提供了大數(shù)據(jù)分析和學(xué)科優(yōu)化的理論依據(jù)。人工智能在知識(shí)獲取分析方面的強(qiáng)大能力,將為火箭管路系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、專家經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)建立和決策等提供有力的支撐,同時(shí)也將對(duì)管路系統(tǒng)制造和裝配等環(huán)節(jié),提供全面認(rèn)知的能力,通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),最終實(shí)現(xiàn)工程的細(xì)化管控。
本文通過(guò)對(duì)智能技術(shù)在火箭管路系統(tǒng)布局、選材、制造、檢測(cè)、驗(yàn)證和裝配維護(hù)中的綜合分析,重點(diǎn)對(duì)智能技術(shù)在火箭管路設(shè)計(jì)、制造、裝配和檢測(cè)驗(yàn)證中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)對(duì)火箭管路系統(tǒng)研制的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。
管路布局是整個(gè)火箭管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),也是需要依據(jù)經(jīng)驗(yàn),并綜合設(shè)計(jì)、工藝、裝配等進(jìn)行反復(fù)調(diào)整的項(xiàng)目。一方面,由于火箭的艙段空間有限,所需要進(jìn)行布局的管路系統(tǒng)種類繁多,數(shù)量龐大,安裝位置復(fù)雜,與之連接的部位結(jié)構(gòu)多樣,故管路布局中需要考慮的因素非常多,如與周圍結(jié)構(gòu)設(shè)備不能干涉、需考慮空間約束、箱體殼段約束、發(fā)動(dòng)機(jī)約束、管路自身性能、彎管工藝限制、裝配工具限制、可維修性限制等因素。另一方面,在管路布局設(shè)計(jì)中,盡管有經(jīng)驗(yàn)的工程師隊(duì)伍會(huì)反復(fù)論證和校核,然而絕大部分情況下,不可避免地還是會(huì)存在意想不到的設(shè)計(jì)死角,只有在實(shí)際生產(chǎn)制造或裝配過(guò)程中才會(huì)發(fā)現(xiàn)布局上存在的天然缺陷。在此情況下,修正錯(cuò)誤和缺陷,不僅會(huì)增加火箭的成本,更會(huì)延遲產(chǎn)品上箭進(jìn)度,給火箭交付帶來(lái)不利影響。
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,綜合了專家經(jīng)驗(yàn)的智能布局和優(yōu)化技術(shù),也逐漸被業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,用于解決人工布局認(rèn)識(shí)不全面等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)研究方面,陳志英[1-5]最早針對(duì)航空管路進(jìn)行了自動(dòng)智能布局技術(shù)研究,建立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路敷設(shè)準(zhǔn)則,提出了管路敷設(shè)方法和模式(圖1),實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)等的管路智能布局,不僅對(duì)航空航天領(lǐng)域智能管路布局進(jìn)行了有開創(chuàng)意義的探索,也開啟了智能管路布局的新時(shí)代。白曉蘭等[6]提出了改進(jìn)的混沌人工魚群等算法及案例驗(yàn)證(圖2),對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路智能布局進(jìn)行了更深入的研究。吳宏超等[7]進(jìn)行了自動(dòng)布局與優(yōu)化的相關(guān)理論、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法研究,實(shí)現(xiàn)了管路布局和評(píng)價(jià)的信息管理系統(tǒng)(圖3),對(duì)智能管路布局的實(shí)際應(yīng)用和更進(jìn)一步的推廣,具有極為重要的意義。柳強(qiáng)教授針對(duì)管路智能布局的排布算法和CAD二次開發(fā)方法,在總結(jié)多年研究成果的基礎(chǔ)上,出版了專著《管路布局規(guī)劃優(yōu)化算法與系統(tǒng)開發(fā)》[8]。大型商用三維CAD軟件,如CATIA里Tubing Design模塊、 UG軟件的管路布局建模模塊Routing和SolidWorks軟件中的Routing管路模塊等,目前均具備管路智能布局定制接口的功能。國(guó)內(nèi)對(duì)管路系統(tǒng)的智能布局研究已趨成熟,在大數(shù)據(jù)支撐下,具備了大規(guī)模推廣應(yīng)用的技術(shù)實(shí)力。
圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路自動(dòng)敷設(shè)圖示Fig.1 Automatic pipeline laying of aero-engine
圖2 管路智能布局Fig.2 Intelligent pipeline routing
圖3 基于知識(shí)庫(kù)的管路智能布局系統(tǒng)Fig.3 Answer Set Programming-based intelligent pipeline routing system
在沒(méi)有人工參與的前提下,智能材料具有隨外界的電、溫度、力、流體流動(dòng)等載荷變化,進(jìn)行自身結(jié)構(gòu)形狀、剛度的改變的特點(diǎn),故在火箭管路中具有較為廣闊的應(yīng)用前景,可用于管路的連接、密封、修復(fù)和減振等。
形狀記憶合金等智能材料已應(yīng)用于國(guó)外的航空航天領(lǐng)域液壓管路連接等[9-10],在低溫下具有自緊功能,實(shí)現(xiàn)液壓管路在低溫下的優(yōu)異連接和密封性能。
另外,NASA研究了記憶合金用于結(jié)構(gòu)材料裂紋的修復(fù)[11],據(jù)報(bào)道,可以修復(fù)90%的金屬疲勞裂紋,經(jīng)記憶合金進(jìn)行裂紋修復(fù)前后的結(jié)構(gòu)材料對(duì)比見圖4。記憶合金的修復(fù)功能為火箭提供了現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)維修的可能。
記憶合金在國(guó)外還用于結(jié)構(gòu)的分離。圖5是一種為國(guó)外小衛(wèi)星研制的形狀記憶合金適配耦合裝置。當(dāng)加熱時(shí),SMA(形狀記憶合金)驅(qū)動(dòng)元件從馬氏體變?yōu)閵W氏體,并自動(dòng)收縮,從而連帶固定螺栓共同從外殼中脫離,實(shí)現(xiàn)對(duì)接結(jié)構(gòu)的分開[12]。圖6是美國(guó)申請(qǐng)的一項(xiàng)關(guān)于低沖擊的載荷釋放裝置專利。SMA調(diào)節(jié)器108采用記憶合金材料,安裝在底座102和預(yù)緊夾緊塊104之間。接收電流后,SMA調(diào)節(jié)器伸長(zhǎng),在彈簧力的作用下,預(yù)緊夾塊旋轉(zhuǎn),從而使得釋放載荷與底座分離[13]。
(a)修復(fù)前
(b)修復(fù)后圖4 裂紋修復(fù)前后的對(duì)比Fig.4 Before and after crack repairing
圖5 形狀記憶合金適配耦合裝置零組件示意圖Fig.5 Component view of SMA2C device
104-預(yù)緊夾緊塊;106-緊固件;108-SMA調(diào)節(jié)器;102-底座;112-釋放載荷;114-硬件;116-球形軸承;118-第一墊圈;122-第二墊圈;1002-彈簧圖6 形狀記憶合金調(diào)節(jié)的載荷控制鎖緊裝置Fig.6 Payload launch lock mechanism using shape memory alloy actuator
流體控制變剛度復(fù)材管(F2MC)外部由纖維纏繞而成,內(nèi)部通有流體,在兩端的流體開關(guān)閥的控制下可以實(shí)現(xiàn)彈性模量和剛度的變化,如圖7所示。通過(guò)設(shè)計(jì),剛度增加可以達(dá)到120倍[14-15]。F2MC優(yōu)異的剛度控制能力,可以解決火箭管路系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)控制和減振問(wèn)題。
圖7 流體控制變剛度復(fù)材管Fig.7 Fluidic flexible matrix composite tube
智能材料的增材制造也稱4D打印。李滌塵等[16]等采用超聲增材制造技術(shù)(UAM),將智能材料融合到金屬中 (圖8),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。
圖8 智能材料的增材制造Fig.8 Additive manufacturing of smart material
火箭管路的制造多采用樣件加工方法,即在研制初期,根據(jù)模裝現(xiàn)場(chǎng)情況,將管路形狀和空間走向用工裝模擬件固定下來(lái),形成樣件。后續(xù)制造的管路產(chǎn)品,須與樣件進(jìn)行比對(duì)。小口徑管路在加工過(guò)程中,多采用手工彎制方法。該模式下的產(chǎn)品加工周期長(zhǎng),且產(chǎn)品加工精度離散度較大,容易造成火箭裝配過(guò)程中的再次修配等問(wèn)題,導(dǎo)致火箭齊套周期也隨之增加。為了提高生產(chǎn)效率,利用智能制造技術(shù)進(jìn)行火箭管路的制備勢(shì)在必行。
國(guó)內(nèi)萇書梅等[17]從分析了智能制造關(guān)鍵技術(shù)的研究思路,為智能制造提供了思路。梁勇[18]提出了建立數(shù)字化生產(chǎn)線/智能車間的思路和方法。黃建科等[19]對(duì)數(shù)控彎管技術(shù)進(jìn)行了分析和研究,為管路的智能彎制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。孫京等[20]提出了利用天地一體化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在軌加工與裝配、空間增材制造的空間智能制造設(shè)想。
國(guó)外對(duì)于智能制造車間的研究也空前高漲。Lee[21]提出了建立5C智能架構(gòu)的思路和方法,用于建設(shè)智能工廠,如圖9所示。Hoyt R.P[22]針對(duì)在軌飛行器提出了自主制造的概念(圖10),計(jì)劃于2024年實(shí)現(xiàn)在軌自主制造。德國(guó)tarakos公司開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件,實(shí)現(xiàn)了制造業(yè)的可視化、預(yù)測(cè)與控制,如圖11所示。
圖9 5C 智能架構(gòu)Fig.9 5C smart architecture
圖10 在軌3D打印自主制造概念Fig.10 On-orbit smart fabrication concept of 3D printing
圖11 tarakos虛擬制造系統(tǒng)Fig.11 Virtual fabrication system of tarakos
目前在管路檢測(cè)方面采用的措施有著色法、滲透法、內(nèi)窺檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法等,其中著色和滲透法檢查后,需對(duì)管路進(jìn)行再次清洗和處理,過(guò)程復(fù)雜。內(nèi)窺法對(duì)于長(zhǎng)管路由于設(shè)備局限無(wú)法進(jìn)行檢測(cè),且內(nèi)窺檢測(cè)耗時(shí)耗力,周期較長(zhǎng)。超聲檢測(cè)由于設(shè)備的局限目前僅限于特定厚度和長(zhǎng)度的管材。發(fā)生在管路系統(tǒng)總裝后的管路缺陷,往往受檢測(cè)技術(shù)所限,只能通過(guò)旁證進(jìn)行產(chǎn)品的質(zhì)量決策,存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。在信息技術(shù)日新月異的時(shí)代,亟待將智能技術(shù)引入管路檢測(cè)中,提高管路自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。
美國(guó)在管路檢測(cè),尤其是長(zhǎng)管路的檢測(cè)中,成功使用光纖無(wú)損檢測(cè)的方式[23],實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離管路的自動(dòng)化、智能化檢測(cè),原理如圖12所示。管路的膨脹和收縮均將導(dǎo)致光纖轉(zhuǎn)動(dòng),壓力信號(hào)從而隨之產(chǎn)生變化。通過(guò)監(jiān)測(cè)壓力信號(hào)的變化情況,獲得管路的狀態(tài)變化情況,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)監(jiān)測(cè)。
圖12 管路光纖檢測(cè)系統(tǒng)原理Fig.12 The principle of optical fiber system of pipeline
Lee等[24]完善了一套光纖布拉格光柵系統(tǒng),可以激勵(lì)和測(cè)量管路導(dǎo)波,如圖13所示。超聲導(dǎo)波進(jìn)行管路缺陷檢測(cè)的原理是利用導(dǎo)波沿著管路傳播過(guò)程中遇到介質(zhì)突變(如管路腐蝕、裂紋等)會(huì)發(fā)生部分反射的原理實(shí)現(xiàn)缺陷的識(shí)別和定位。在管道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方面,Rose等[25]對(duì)管道彎曲部分出現(xiàn)裂紋的損傷進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究。英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的Aristegui等[26]利用導(dǎo)波對(duì)充液管道進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):1)可遠(yuǎn)距離自動(dòng)對(duì)整條管路系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)和智能判別,提高檢測(cè)效率;2)可檢測(cè)管路系統(tǒng)整個(gè)壁厚以及內(nèi)部缺陷。
圖13 管路超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)Fig.13 Guide wave test system of pipeline
火箭管路系統(tǒng)螺紋緊固件失效,則可能導(dǎo)致任務(wù)失利,故緊固件預(yù)緊力的監(jiān)測(cè)意義重大。隨著科技和信息技術(shù)的飛速發(fā)展,智能技術(shù)在管路連接緊固件的預(yù)緊力監(jiān)測(cè)、螺栓松動(dòng)檢測(cè)等方面有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值,可以及時(shí)檢測(cè)管路連接故障,提高管路系統(tǒng)飛行試驗(yàn)的可靠性。美國(guó)Ganesh 等[27]研制的智能墊圈,通過(guò)感知應(yīng)力和螺栓加載力的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)螺栓的在線智能監(jiān)測(cè),其結(jié)構(gòu)和預(yù)緊原理如圖14所示。德國(guó)夏馳公司研制的超聲智能螺栓,能夠?qū)β菟ǖ难由炻蔬M(jìn)行識(shí)別,從而獲得螺栓在夾緊過(guò)程的預(yù)緊力,并發(fā)明了一種超聲波傳感器貼片粘貼到螺栓頭部,記錄每一次擰緊、維護(hù)過(guò)程,如圖15所示。
圖14 智能墊圈及預(yù)緊圖Fig.14 Smart washer and pretighten
圖15 超聲波智能螺栓及擰緊示意Fig.15 Ultrasonic intelligent bolt and tightening
由于生產(chǎn)偏差累積,在火箭管路裝配過(guò)程中,難免會(huì)出現(xiàn)由于總偏差過(guò)大,導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)修配管路的情況,對(duì)火箭的總裝周期有較大影響,故亟需要對(duì)管路的裝配進(jìn)行整體優(yōu)化。萇書梅等[17]給出了飛機(jī)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線智能制造發(fā)展的總體思路,并以某型飛機(jī)總裝生產(chǎn)線建設(shè)為背景,介紹了智能技術(shù)在總裝過(guò)程中的相關(guān)應(yīng)用。Liu等[28]針對(duì)管路裝配,開發(fā)了一套虛擬間隙檢查和裝配系統(tǒng),如圖16所示。
圖16 虛擬裝配和間隙檢測(cè)系統(tǒng)Fig.16 Virtual assembly and gap testing system
黃翔等[29]利用先進(jìn)測(cè)量技術(shù)和全向移動(dòng)平臺(tái)等自動(dòng)裝配技術(shù),對(duì)飛機(jī)智能裝配進(jìn)行了研究,有效確保飛機(jī)裝配效率的提高,適應(yīng)異地協(xié)調(diào)制造的要求。宋利康等[30]提出了智能狀態(tài)的體系架構(gòu),如圖17所示。劉煒等[31]針對(duì)空氣舵產(chǎn)品提出了智能裝配模式,并進(jìn)行了研究,為產(chǎn)品智能裝配的實(shí)現(xiàn)提供了可行的技術(shù)儲(chǔ)備。
圖17 大飛機(jī)智能體系架構(gòu)Fig.17 Intelligent systems framework of large aircraft
火箭管路設(shè)計(jì)是龐大的系統(tǒng)工程,涵蓋了機(jī)械、焊接、密封、材料、流體、固體力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)、表面處理、熱處理等眾多專業(yè)種類,且涉及的產(chǎn)品數(shù)量眾多、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)項(xiàng)目繁瑣,需要耗費(fèi)巨大的勞動(dòng)力和成本,才能實(shí)現(xiàn)最終的精細(xì)化設(shè)計(jì)。以運(yùn)載火箭的管路布局設(shè)計(jì)為例,從目標(biāo)函數(shù)看,管路布局需要滿足路徑最短、總長(zhǎng)度最優(yōu)、零件最優(yōu)等多個(gè)目標(biāo);從涉及到的變量看,管路布局需要考慮間隙變量、空間包絡(luò)變量、強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)變量、工藝變量等諸多變量;從約束條件看,管路布局需滿足的約束包括艙內(nèi)空間約束、箱體殼段約束、發(fā)動(dòng)機(jī)約束、儀器布局約束等大量空間位置和接口約束??梢哉f(shuō),火箭管路布局需要考慮諸多因素和專業(yè)的耦合關(guān)系,這些對(duì)依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式提出挑戰(zhàn)。
在計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代,迫切需要進(jìn)行火箭管路的智能設(shè)計(jì)。在專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)技術(shù),將管路選材、布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度和流體校核等全流程的設(shè)計(jì)進(jìn)行固化,從而實(shí)現(xiàn)不同口徑和飛行工況下的自動(dòng)設(shè)計(jì)與校核?;鸺苈废到y(tǒng)的智能設(shè)計(jì)規(guī)劃如圖18所示。首先,根據(jù)任務(wù)特點(diǎn),提出火箭管路系統(tǒng)布局的優(yōu)化目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)管路布局的各種約束條件進(jìn)行梳理,最終建立管路布局約束的開放式數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)確定算法、軟件和語(yǔ)言等,在大量數(shù)據(jù)的支撐下,實(shí)現(xiàn)火箭管路系統(tǒng)的智能布局,擺脫靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)無(wú)法考慮周全、布局效率低等缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)管路系統(tǒng)的快速、嚴(yán)謹(jǐn)自動(dòng)化布局。
圖18 火箭管路系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)規(guī)劃框圖Fig.18 Intelligent design diagram of rocket pipeline system
智能材料具有在無(wú)人工參與的前提下,可以隨溫度、電、力、流體流動(dòng)等進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變等特點(diǎn),故可以簡(jiǎn)單可靠地實(shí)現(xiàn)火箭管路系統(tǒng)的某些特殊職能。一是可以充分利用形狀記憶合金隨溫度、電流等物理量變化,產(chǎn)生收縮或膨脹的特點(diǎn),將其應(yīng)用于管路接頭連接部位,實(shí)現(xiàn)低溫下火箭管路的可靠密封,且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單;另外形狀記憶合金也可以用于級(jí)間或交叉輸送的管路分離以及自動(dòng)脫拔部位的管路連接結(jié)構(gòu),利用其隨特定物理量變化的特點(diǎn),更簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)管路自密封、分離和脫拔等功能。具有剛度可變性的智能材料,可以用于火箭管路系統(tǒng)的減振支架等產(chǎn)品的開發(fā),增加箭上管路產(chǎn)品飛行中的抗疲勞的性能。
火箭管路在生產(chǎn)過(guò)程中,存在大量檢測(cè)環(huán)節(jié),如X光檢測(cè)、尺寸檢測(cè)、性能檢測(cè)、間隙檢測(cè)等,若按傳統(tǒng)方法,通過(guò)人工檢驗(yàn)、人工判讀方法,則檢測(cè)效率低,且為重復(fù)性工作,對(duì)人專注能力要求很高,不允許有心情不佳等狀況出現(xiàn)。若在檢測(cè)中,利用智能技術(shù),對(duì)過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化和圖像化的檢測(cè)、記錄、自動(dòng)判讀和控制,則可以大大提高缺陷漏判的概率,且可以實(shí)現(xiàn)高效制造。
火箭管路在生產(chǎn)過(guò)程中,可以通過(guò)建立激光矢量測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品加工過(guò)程數(shù)字信息的測(cè)量記錄和傳遞,激光矢量測(cè)量系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外技術(shù)均較成熟,可以無(wú)縫用于現(xiàn)有數(shù)控彎管生產(chǎn)線。另外,火箭管路系統(tǒng)一般較長(zhǎng),且空間走向復(fù)雜,故在無(wú)損檢測(cè)方面,可逐步引入超聲導(dǎo)波等在線智能檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)管路系統(tǒng)在生產(chǎn)、裝配過(guò)程中的缺陷的自動(dòng)化檢測(cè)和判讀,從而提高檢測(cè)效率。在裝配過(guò)程中,可逐步實(shí)現(xiàn)小直徑緊固件產(chǎn)品的在線預(yù)緊力的直接無(wú)損測(cè)量和信息記錄,并對(duì)裝配后的力矩衰退和再次擰緊,根據(jù)專家數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行定量化控制,改善只能通過(guò)力矩間接控制緊固件預(yù)緊力的現(xiàn)狀,實(shí)現(xiàn)緊固件的智能測(cè)量和質(zhì)量監(jiān)控,提高火箭管路系統(tǒng)連接的可靠性。
火箭管路在裝配過(guò)程中引入智能技術(shù),將有效提高裝配的效率,大大降低管路返修帶來(lái)的影響總裝周期的問(wèn)題??傃b過(guò)程中,對(duì)管路安裝位置和接口等邊界進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)字測(cè)量,在此基礎(chǔ)上利用可移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái),實(shí)現(xiàn)管路的自動(dòng)裝配。若總裝中出現(xiàn)火箭結(jié)構(gòu)由于單發(fā)累積偏差較大,導(dǎo)致管路系統(tǒng)安裝邊界超差,從而使得原定設(shè)計(jì)管路無(wú)法安裝的情況,則管路智能裝配系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的提示,自動(dòng)將邊界測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給管路設(shè)計(jì)人員和生產(chǎn)返修人員,對(duì)管路三維數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界的修正,最終根據(jù)修正后的管路模型進(jìn)行產(chǎn)品的自動(dòng)化彎制和加工。
火箭管路試驗(yàn)和仿真由于數(shù)量多、重復(fù)性勞動(dòng)工作量大,且試驗(yàn)過(guò)程存在試驗(yàn)介質(zhì)壓力較高等危險(xiǎn)因素,故需實(shí)現(xiàn)智能仿真和無(wú)人值守的智能試驗(yàn)驗(yàn)證。
火箭管路的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、疲勞、流場(chǎng)等分析在數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程中是依賴計(jì)算機(jī)的極為重要的工作,但由于產(chǎn)品種類多,且工作的工況復(fù)雜多變,需耗費(fèi)時(shí)間較多。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,可以借鑒國(guó)內(nèi)外的智能技術(shù),利用已有的專家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)和仿真準(zhǔn)則,逐步實(shí)現(xiàn)火箭管路的自動(dòng)化計(jì)算和仿真分析,減少重復(fù)性勞動(dòng),提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。
隨著電子信息技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用,自動(dòng)化的試驗(yàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)目前較成熟,可以將試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)器采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)奖O(jiān)控服務(wù)器平臺(tái),實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。后續(xù)可以對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行專家分析,并增加相關(guān)試驗(yàn)控制單元,從而實(shí)現(xiàn)火箭管路的智能試驗(yàn)過(guò)程。
雖然火箭管路產(chǎn)品可靠性較高,然而在不可測(cè)的全壽命周期內(nèi),可能會(huì)出現(xiàn)小概率的失效事件。鑒于目前管路壓力、應(yīng)力應(yīng)變、漏率等監(jiān)測(cè)技術(shù)均比較成熟,在監(jiān)測(cè)信息的基礎(chǔ)上,利用以往的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和可靠性數(shù)據(jù),并依賴相關(guān)自動(dòng)化控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的無(wú)人管路修復(fù),從而避免重大失效事件的發(fā)生。
綜合上述智能技術(shù),在高性能計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的支持下,火箭管路設(shè)計(jì)、生產(chǎn)檢測(cè)、裝配、試驗(yàn)驗(yàn)證、使用維護(hù)過(guò)程,不僅能夠進(jìn)行各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集,且依賴自動(dòng)化控制以及人工智能等技術(shù),可以進(jìn)行實(shí)時(shí)決策和控制,最終實(shí)現(xiàn)火箭管路全流程的智能研制。火箭管路的智能研制技術(shù)應(yīng)用體系具體架構(gòu)如下:
1)梳理現(xiàn)有的管路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、布局要求、各項(xiàng)仿真分析規(guī)范和專家經(jīng)驗(yàn)等,提出火箭管路的研制準(zhǔn)則,建立并完善管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上,采用大型CAD等軟件,并利用先進(jìn)的智能算法,實(shí)現(xiàn)火箭管路系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)、布局、仿真、問(wèn)題自動(dòng)判讀等功能。
2)管路生產(chǎn)部門接收到三維數(shù)據(jù)后,首先采用智能虛擬制造技術(shù),進(jìn)行管路參數(shù)的可加工性檢查,待判讀滿足要求后,進(jìn)行自動(dòng)化的管路彎制。制造過(guò)程中,采用智能檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行管路測(cè)量,開展與三維模型的一致性比對(duì),對(duì)管路進(jìn)行尺寸、缺陷情況、密封性能等在線自動(dòng)化檢測(cè)和記錄。
3)利用無(wú)人監(jiān)視和控制試驗(yàn)系統(tǒng),大批量的試驗(yàn)管路產(chǎn)品將按流程逐一進(jìn)行自動(dòng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)的采集,并與以往試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)分析,在專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)相關(guān)質(zhì)量要求,對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)分析判讀和處理。
4)總裝過(guò)程中,接收火箭管路的安裝設(shè)計(jì)三維信息,對(duì)火箭管路系統(tǒng)進(jìn)行虛擬裝配,檢測(cè)可操作性及間隙要求等是否滿足實(shí)際情況,待判讀通過(guò)后,充分利用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行火箭管路的裝配。在火箭管路的對(duì)接部位,對(duì)安裝位置和接口等邊界進(jìn)行在線數(shù)字化測(cè)量,若出現(xiàn)總裝累積偏差較大或邊界偏差較大,導(dǎo)致管路無(wú)法安裝的情況,則將邊界測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)反饋給管路設(shè)計(jì)人員,進(jìn)行管路三維數(shù)據(jù)的邊界修正后智能制造處理。在完成火箭裝配后,由于運(yùn)輸和貯存等環(huán)節(jié)中不可預(yù)測(cè)因素,可能會(huì)造成火箭管路的偶然失效,為此建立完善的管路壓力、應(yīng)變等參數(shù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),并利用專家經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等,實(shí)現(xiàn)管路的智能維護(hù),將會(huì)極大提高火箭管路系統(tǒng)的可靠性,避免重大失效事件的發(fā)生。
火箭管路的智能研制,在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上,需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)主要有:一是借鑒大數(shù)據(jù)的體系知識(shí),建立管路各流程環(huán)節(jié)的專家經(jīng)驗(yàn)和研制準(zhǔn)則;二是在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)火箭管路的全壽命周期監(jiān)控技術(shù),包括數(shù)據(jù)的自動(dòng)收集、監(jiān)測(cè)和控制等;三是將火箭管路研制過(guò)程與人工智能技術(shù)充分融合,使得整個(gè)研制流程因?yàn)橛?jì)算機(jī)智能技術(shù)的引入而更為嚴(yán)謹(jǐn)和全面,避免人工設(shè)計(jì)和操作可能導(dǎo)致的錯(cuò)誤、缺陷等故障。綜合了智能設(shè)計(jì)、制造和裝配的火箭管路研制流程的架構(gòu)見圖19。
圖19 火箭管路智能研制流程架構(gòu)圖Fig.19 Intelligent development process architecture diagram of rocket pipeline
智能技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的迅速發(fā)展,已經(jīng)引起很多領(lǐng)域質(zhì)的改變,也提高了工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)效率。利用智能算法和專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的火箭管路系統(tǒng)智能布局,可以減輕管路布局設(shè)計(jì)人員的繁重調(diào)試和比對(duì),實(shí)現(xiàn)快速、無(wú)誤、可靠的布局設(shè)計(jì);再如運(yùn)用在線自動(dòng)化檢測(cè)手段和先進(jìn)算法的超聲導(dǎo)波缺陷檢測(cè)系統(tǒng),將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)多個(gè)部段的管路進(jìn)行無(wú)損測(cè)量,提高檢測(cè)效率,降低人為的誤判率;而火箭管路的裝配,也必將隨著智能技術(shù)的引入,逐漸解決目前偏差影響進(jìn)度、力矩失控等問(wèn)題,不僅節(jié)約總裝的時(shí)間,也會(huì)極大地提高產(chǎn)品安裝質(zhì)量。將人工智能技術(shù)引入火箭管路的研制中,在設(shè)計(jì)、制造、裝配、驗(yàn)證以及使用維護(hù)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)從依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)到高效自動(dòng)化的過(guò)程,將是一場(chǎng)科學(xué)技術(shù)的全面提升,最終實(shí)現(xiàn)火箭管路產(chǎn)品的高質(zhì)量和高效率研制,大大提高管路系統(tǒng)的可靠性。