航天器直屬件關聯設計方法

（中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）

1 引言

直屬件是連接單機設備與艙體結構之間的零件，對其進行詳細設計是在航天器布局完成后，且一般在航天器進入總裝階段才能安裝到位，因此其機械接口的正確性及設計周期，直接影響航天器總裝工作能否順利進行。

航天器單機設備布局位置不盡相同，機械接口各異，因此直屬件種類繁多，形狀各異。航天器直屬件傳統設計方法是根據設備及艙體的機械接口信息，在脫離布局模型的狀態下完成直屬件的詳細設計，按這種方式設計的直屬件與設備及艙體之間不存在有效的動態關聯。若設備及艙體機械接口發生變化，不會自動提示設計約束的改變，直屬件不能及時得到更新，導致最終直屬件機械接口與設備及艙體的機械接口不匹配。因此，如何實現直屬件的動態關聯設計，確保機械接口信息的實時傳遞，縮短直屬件設計周期，提高設計準確性，是影響航天器總裝工作的重要問題。

本文結合航天器直屬件三維設計模型體系，采用自頂向下的方法，使設計層次變得更清晰，實現了邊界約束信息的傳遞、共享、繼承，從而有效解決了直屬件關聯設計時，設計約束信息實時、有效傳遞的問題，提高了設計效率和正確性。［1-3］

2 直屬件關聯設計機械接口信息傳遞問題的解決途徑

目前，航天器的三維模型層次從上到下分為航天器模型—艙段模型—艙段的儀器設備安裝模型，如圖1所示，各航天器可根據自身特點對該模型體系中每一層的規模進行擴展。

圖1 直屬件關聯設計模型體系Fig.1 Model system of associated design

在圖1的模型體系中，“艙段I區域3設備安裝模型”下面的“直屬件裝配總模型及頂層基本骨架”為直屬件設計層次。直屬件關聯設計時，需要在設計頂層先構造出一個“頂層基本骨架”（Top Basic Skeleton），隨后的設計過程基本上都是在這個“頂層基本骨架”的基礎上進行復制、修改、細化、完善并最終完成整個設計過程?！绊攲踊竟羌堋背蔀檎麄€關聯設計過程中機械接口信息傳遞的紐帶。該模型里面的骨架零件“頂層基本骨架”包含后續直屬件詳細設計所需的所有邊界約束。單機設備機械接口發生變化時，對該頂層基本骨架進行更新，即可實現機械接口更改后的信息傳遞。在直屬件詳細設計時，其機械接口均與頂層骨架中的邊界約束發生關聯，因此單機設備機械接口的更改信息能夠從頂層基本骨架中自動傳遞到直屬件中。［4-7］

“頂層基本骨架”的主要功能包括：①頂層基本骨架可以用來管理大型的裝配設計，允許只讀出頂層裝配的骨架模型到內存中來控制整個產品的設計及變更；②頂層基本骨架可以增強零件在裝配中的相互關聯和依賴性，這些存在于實際裝配之中的相互關系從最初的總體布局中抽取出來，構成頂層基本骨架，為子裝配和零件享用；③設計變更的傳遞功能。

2.1 直屬件關聯設計機械接口信息傳遞過程

直屬件關聯設計時，采用“自頂向下”的設計模式，首先，在單機設備三維模型中通過“發布幾何”將單機設備的機械接口的邏輯關系對外發布，如圖1所示；其次，在艙段設備布局完成后，建立直屬件裝配總模型，并在該裝配體下面建立頂層基本骨架零件，通過“復制幾何”完成單機設備的機械接口信息收集；最后，建立單機設備直屬件組件模型和骨架模型，將頂層基本骨架零件中對應的單機設備的設計約束條件（包含在發布幾何中）通過“復制幾何”的形式收集，并進行直屬件的詳細設計，整個設計過程如圖2所示。如果單機設備機械接口發生變化，只要更新“直屬件裝配頂層基本骨架模型”及“單機設備直屬件組件骨架模型”，單機設備邊界約束的變化就會傳遞到具體的直屬零件。其中比較關鍵的步驟是“單機設備邊界約束的建立”和“直屬件頂層基本骨架模型的建立”。

圖2 直屬件自頂向下設計過程Fig.2 Flow chart of top-down design

2.2 直屬件設計邊界約束的建立

為了實現直屬件自頂向下的設計，必須將單機設備的機械接口信息（即直屬件詳細設計的邊界約束條件）提取出來并進行準確地信息傳遞。在用Pro／E軟件進行單機設備建模時，先要將設備的安裝面信息（如設備安裝面、安裝孔徑尺寸及數量等）通過“發布幾何”發布出來，如圖3所示，紅色顯示的部分即為該設備的發布幾何，包含了該單機設備的機械接口信息，即“設計邊界約束”。

圖3 單機設備邊界約束建立Fig.3 Boundary constraints of equipment

2.3 直屬件頂層基本骨架模型

每個艙段均會布局一定數量的單機設備，每臺單機設備的邊界約束，均在三維模型中通過“發布幾何”的形式發布。為進行直屬件的詳細設計，需要將該艙段中所有單機設備的邊界約束條件“收集”起來并統一對外發布，作為后續直屬件詳細設計的依據。

在直屬件總裝配模型下，建立直屬件裝配頂層基本骨架模型，通過復制幾何將設備機械接口信息和艙體安裝面信息復制，并通過發布幾何發布，如圖4所示。在XX＿133-0＿ZSJ.ASM 下建立的XX＿133-0＿ZSJ＿SKEL.PRT 即為頂層基本骨架模型，該骨架中包含XX＿133-0.ASM 中需要用到的直屬件的所有邊界約束，其中“直屬件1發布幾何”、“直屬件2發布幾何”中包含了單機設備邊界約束以及艙體安裝面約束，因此設備的直屬件設計所需的所有約束信息全包含在其中。［8-9］

圖4 直屬件裝配總模型及頂層基本骨架模型Fig.4 Assembly model and top basic skeleton

3 直屬件關聯設計驗證

按照圖1所示的直屬件關聯設計模型體系，在建立完“頂層基本骨架”后，在“直屬件裝配總模型”下建立“直屬件組件1模型及骨架”，從“頂層基本骨架”將該設備邊界約束條件復制進來，至此，就完成了直屬件組件骨架模型的創建，可以開展后續的直屬件詳細設計。

圖5是直屬件組件1骨架中的單機設備的邊界約束，包含了2個設備安裝接口及設備儀器板的信息，圖6是進行詳細設計后的直屬件組件1 模型。圖7是直屬件組件1骨架的單機邊界約束，其中一個單機設備機械接口發生變化（設備安裝孔數量由4個減少為3個，安裝孔位置也發生變化），導致了該直屬件的裝配模型和零件模型均顯示為紅色，如圖8所示。軟件會自動提示，按照更新后的單機設備安裝接口進行修改。

按照本文所述的方法進行某航天器的直屬件關聯設計，共設計了62種直屬件，出現錯誤的直屬件僅1種，直屬件的失誤率降低至1.6%，所有直屬件設計完成共耗時13天，按傳統設計方法約耗時20天，設計時間縮短約35%。

圖5 直屬件設計邊界約束Fig.5 Boundary constraints of the part

圖6 直屬件三維模型Fig.6 3D model of the part

圖7 直屬件邊界約束變化Fig.7 Boundary constraints of the part changed

圖8 直屬件模型錯誤提示Fig.8 3D model of the part error alarmed

4 結束語

綜上所述，航天器直屬件關聯設計模式有以下特點：

（1）直屬件設計邊界約束都是通過骨架零件中的“復制幾何”和“發布幾何”進行自上而下的傳遞，不會出現任何差錯，在建立完頂層基本骨架后，就可以開展直屬件的關聯設計；

（2）由于直屬件設計是依附單機邊界約束和艙體結構上的安裝接口進行設計，直屬件設計完成后會自動裝配在準確位置，因此無須設計人員進行裝配，設備布局位置調整后，直屬件也會隨設備自動同步調整；

（3）若設備機械接口參數發生變化（如孔徑、孔間距等），甚至布局位置調整，對應的直屬件裝配模型和零件模型均會顯示紅色，提示直屬件的設計約束條件發生改變，須按照最新的布局約束條件修改直屬件三維模型，從而確保設計狀態發生更改后的閉環管理。

本文在直屬件關聯設計過程中運用了“頂層基本骨架”方法，能夠實現直屬件關聯設計過程中的機械接口的實時傳遞和自動裝配，縮短了設計周期并提高了設計準確性，為航天器總裝直屬件的設計模式找到了一條新途徑。

（References）

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