增壓輸送系統三維數字化設計技術

吳 姮，孫善秀，馬方超，杜正剛，張立強

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

增壓輸送系統三維數字化設計技術

吳 姮，孫善秀，馬方超，杜正剛，張立強

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

隨著航天型號任務的增加及信息化技術的發展，數字化設計技術作為先進設計技術的核心在航天重大型號研制中獲得飛速發展。增壓輸送系統作為火箭動力系統關鍵子系統之一，首次采用自頂向下的數字化設計手段完成了單機產品的幾何樣機設計、系統的數字化模裝，實現了增壓輸送系統的全三維數字化設計，極大提高了研制效率。

數字化；設計；增壓輸送系統

0 引 言

數字化技術是以數字信息的生成、修改、傳輸、使用、分析和儲存為基礎，以數字樣機為核心，以單一數據源管理為紐帶，在設計、分析、制造和試驗過程中用數字量取代模擬量、用數字技術改進傳統技術，并以數字量作為設計、制造和試驗的統一數據依據[1]。三維數字化技術的出現為快速、有效、準確獲取三維空間信息提供了全新的技術支持[2]。近年來，隨著數字化技術的興起，集成化、虛擬化、協同化設計、試驗、制造等先進理念和手段的不斷應用[3]，數字化設計技術作為先進設計制造技術的核心，在航天重大型號項目研制中獲得飛速發展，尤其對于新一代運載火箭，其研制技術難度高、任務重、時間緊、參與研制單位多、協調工作量大，火箭的設計需要采取全三維數字化設計手段以加快研制周期，同時通過建立全箭數字樣機替代實物樣機，在生產試驗前進行多次驗證，降低研制成本。通過先進的數字化技術在航天型號研制任務中的應用，有效提升靈活的市場應變能力、產品研制和設計能力，縮短研制周期，降低研制風險[4]。

增壓輸送系統作為運載火箭動力系統的重要分系統之一，是控制火箭推進劑貯箱內氣枕壓力，按規定的壓力、流量將推進劑輸送到發動機泵或燃燒室，連接推進劑貯箱發動機及地面設備的增壓和輸送系統的綜合[5]。

1 三維自頂向下設計

三維數字化設計，就是運用三維工具來實現模型的虛擬創建、修改、完善、分析等一系列數字化操作[6]。增壓輸送系統的三維數字化設計基于pro/e的自頂向下的設計模式，核心是按產品結構樹層次將設計條件自上而下地進行發布傳遞、各層對相應設計條件進行接收。為了規范設計條件的發布和接收，增壓輸送系統通過骨架模型建立和管理設計條件，將產品設計所需要的各種信息（接口定位、尺寸包絡、裝配參考等）通過骨架模型傳遞給各層設計單位。總體設計師完成各級或各模塊的總體骨架模型設計，通過頂層總體骨架控制各級總體骨架，將各級總體骨架中的設計條件通過發布幾何發布給下一級系統或直接相關的下層產品；增壓輸送系統接收總體發布的骨架模型，按照各單機設計所需的設計信息形成發布幾何，逐一發布給增壓輸送系統內部各單機，并將此作為單機設計的依據；各單機并行開展產品數字樣機設計（一般為幾何樣機），完成設計并驗收合格后通過協同設計平臺提交產品數字樣機進行增壓輸送系統的數字化模裝，形成增壓輸送系統數字樣機（總裝模型）。增壓輸送系統模裝期間即可提交模型進行工藝審查，工藝提前參與產品的設計，大大縮短研制周期和經費，避免了產品設計完成后由于工藝方案無法實施導致總方案的更改，或由于設計不同程度的更改，導致工裝和工藝均需更改，工裝重新投產，工藝重新編制，工藝準備工作量增大，生產準備周期延長[7]。

自頂向下設計過程見圖1。

圖1 增壓輸送系統自頂向下數字化設計

2 增壓輸送系統三維設計技術

2.1 骨架模型

增壓輸送系統骨架模型是一種特殊零件模型，通過接收上一級裝配的設計信息、發布下一級單機產品設計所需的共享數據和參考數據，完成設計條件的傳遞和發布。所有需要傳遞的設計意圖、設計參考、設計信息如接口定位、表面輪廓、裝配參考、形狀尺寸等均反映在骨架模型中，始終是裝配結構樹中的第一零件，在自頂向下設計中骨架模型是各層次產品溝通的中央渠道和唯一受控渠道。骨架模型傳遞過程見圖2。骨架模型具有如下特點：

a）實現自動更新，上一級修改發布幾何，下一級模型骨架會自動根據上一級內容進行更新；

b）實現產品的交互式設計，上下級之間通過骨架模型進行協同設計，避免不合理的骨架信息對設計的影響。

圖2 骨架模型傳遞

2.2 增壓輸送系統三維數字化設計

2.2.1 產品數字化設計技術

增壓輸送系統閥門、氣瓶、蓄壓器、總裝直屬件產品均采用pro/e軟件中相應工具進行三維模型創建。管路產品種類較多，一般包括：氧排氣管、燃排氣管、氧增壓管、燃增壓管，預冷回流管、氧輸送管、燃輸送管、艙段吹除管、測壓管、閥門控制氣管等。運載火箭單一模塊導管數量達上百根且導管沿著貯箱穹頂或發動機架等布局，走向復雜。采用pro/e軟件管路設計功能模塊（pro/piping）進行導管設計時，使用過程復雜，可操作性較差，設計人員需要經過較長時間培訓方可熟練使用，同時對于復雜管系（穿艙較多、折彎較多）需建立的參考坐標系較多，定位坐標建立過程復雜，后期的修改自動化程度差，導管設計周期較長。為此，針對增壓輸送系統導管產品設計特點對pro/e軟件進行二次開發，形成了增壓輸送系統導管快速設計模塊。

導管三維數字化設計過程通過導管快速設計模塊中子模塊實現，增壓輸送系統發布導管設計的骨架模型，導管設計中所需的參考點、線、坐標、參考曲面等信息均包含在此骨架模型中，一段導管的三維數字化設計過程見圖3，導管三維數字樣機見圖4。

圖3 導管三維數字化設計過程

圖4 導管三維數字化模型

由圖3可知，導管三位數字化設計過程有以下幾點：

a）導管創建的起始坐標系和終止坐標系，該坐標系統通過導管快速設計模塊中的“柔性參考”子模塊收集在其骨架端口中；

b）進入“管線設計”子模塊，在此模塊中包括“定位點”、“連接”和“管線”，彎曲導管需在折彎位置附近處建立定位點，在模型上點選即可，通過將該定位點作為參考點，進行X，Y，Z坐標平移獲得管路布局所需要的所有定位點，提高了定位坐標的創建效率。通過“連接”子模塊將所有定位點連接成管線，并在“管線”子模塊中對管線進行分類管理；

c）進入“管線子段”子模塊，在此模塊中包括“斷點模式”、“導管模式”和“裝配模式”，通過“斷點模式”子模塊在導管需要斷開安裝三通、四通等的位置建立斷點，通過“導管模式”子模塊建立導管模型，導管模型的起始位置已經收集在骨架端口中，可以直接通過鼠標點選，通過“裝配模式”建立導管的實體模型，形成產品數字化樣機。

導管數字樣機創建完成后，若對導管模型走向進行調整，可通過修改相應的定位點信息及連接信息，實現對管線子段和裝配模型的自動更新。

2.2.2 產品輕量化模型

增壓輸送系統產品完成詳細數字化樣機（幾何樣機）設計后均需提交模型進行系統的模裝，以形成增壓輸送系統三維數字化模型。增壓輸送系統產品輕量化模型是指將復雜產品詳細數字化樣機模型另存為收縮包絡格式，通過指定收縮包絡的質量等級、可以忽略的細節信息、質量特性、基準參照、附加曲面、文件名稱等實現減小模型數據量的目的，輕量化模型的質量特性與產品詳細數字化樣機一致。對復雜產品數字化樣機進行輕量化處理，提交此輕量化模型后進行系統總裝，降低增壓輸送系統數字化模裝對計算機硬件和計算時間的要求。

對于收縮包絡后模型數據量改變不大的產品，提交其詳細數字化樣機后進行總裝。

2.2.3 產品數字化樣機驗收

增壓輸送系統產品詳細數字樣機（幾何樣機）提交總裝前需進行驗收，使數字化樣機模型滿足設計要求、數字模裝要求、技術狀態受控，驗收的內容包括：

a）數字化樣機使用配置文件、模板信息、單位制等環境配置；

b）數字化樣機顯示設置，包括：裝配坐標系、接口定義等；

c）數字化樣機參數設置，包括：質量特性、階段標志、零件分類等；

d）數字化樣機根據所屬氧系統、燃系統進行著色設計。

2.2.4 增壓輸送系統數字化模裝（總裝）

利用增壓輸送系統產品幾何數字化樣機，基于數字化樣機在計算機虛擬環境中開展增壓輸送系統數字化模裝，替代實物模裝實現對總體布局、機械接口協調、總體結構方案的正確性和合理性的驗證。數字化模裝在產品設計階段能暴露和解決各種不協調問題，避免正式投產后由于結構不協調帶來的設計和生產反復。

a）數字化模裝設計。

氣瓶、蓄壓器及總裝直屬件產品利用pro/e軟件工具進行裝配，閥門產品采用二次開發的管路快速設計模塊進行裝配，增壓輸送系統數字化模裝過程如下：

1）建立閥門布局參考坐標，所有閥門的位置均參考此坐標獲得；

2）閥門布局前進行曲面設置，該曲面為閥門數字樣機安裝面。根據增壓輸送系統閥門設置特點，閥門均安裝于火箭殼體壁面或推進劑貯箱上下底，因此安裝布局分為“類柱面布局”和“穹頂布局”；

3）與箭體結構連接的閥門布局；

4）收集布局后閥門的端口坐標信息，以此作為導管布局參考；

5）導管、氣瓶、蓄壓器等產品模裝；

6）根據產品安裝狀態完成總裝直屬件布局，形成增壓輸送系統數字化模型。

b）干涉檢查。

基于pro/e/analysis模塊中的全局干涉模式，實現增壓輸送系統總裝模型的自動檢查，檢查每個組件之間的相對位置，分析幾何外形是否存在干涉（即相互嵌入），總裝模型中包括復雜模型的收縮包絡數字化樣機，干涉檢查對象針對“僅子組件”和“包括面組”兩項進行，計算完成后形成結果的全部清單，清單中包括兩干涉組件圖號，均為幾何數字化樣機的兩組件將同時得到干涉體積。根據檢查結果，綜合考慮零件的幾何外形、重量、材料強度等因素進行幾何結構優化，消除靜態干涉。

2.2.5 模型管理

增壓輸送系統三維數字化模型采用基于aVIdM4.0的數字化設計制造協同平臺進行管理，實現數據信息的共享、審簽、受控管理。協同平臺服務器系統包括公共空間和工作空間，通過檢入/檢出操作實現工作空間和公共空間的數據交換與存儲。工作空間為用戶管理工作的本地數據庫，該空間設置在本機上，在工作空間修改完模型需檢入至公共空間以實現模型的共享，同時也能通過檢出操作將公共空間的模型置于工作區進行修改，此時模型狀態為編輯狀態。增壓輸送系統模型檢入公共空間后通過三級審簽及標審后進行當前版本管理，模型狀態為受控狀態，模型不再允許更改。

可以通過查看模型的所有小版本信息實現對設計各個階段信息的查閱，也能通過模型的基線狀態來對某一設計階段的最終狀態進行查閱。基線是模型版本的快照，是某一瞬間模型的狀態。通過固定某一特定狀態的模型，生成一個基線狀態存儲，在查找模型版本時通過基線進行快速查找，從而對模型各研制階段信息進行查詢。

3 結 論

本文通過采用三維數字化設計手段實現增壓輸送系統產品的高效、快速設計，得出如下結論：

a）采用自頂向下的三維數字化手段從產品結構的頂層向下給所有被影響的產品組織傳遞和約束關鍵的設計信息、設計標準，保證設計意圖的一致；

b）運用二次開發模塊實現導管數字化樣機的快速建模、閥門的快速布局及信息自動更新，提高了三維數字化設計效率；

c）數字化模裝代替實物模裝，提前發現系統及產品接口協調性、空間布局合理性及工藝可實現性，極大縮短了研制周期；

d）利用基于aVIdM4.0的數字化設計制造協同平臺對模型進行管理，通過公共空間的檢入/檢出實現數據信息的共享，實現工程師的并行工作，通過小版本信息和基線管理，實現模型技術狀態的有效控制。

[1] 陳海東, 沈重, 張治, 杜臣勇, 等. 航天數字化應用技術的發展與趨勢[J]. 導彈與航天運載技術, 2008(3): 23-27.

[2] 萬青霖, 王志超,. 段碧清, 等. 三維數字化技術的應用設計研究[J]. 電子設計工程, 2015(2): 71-77.

[3] 趙雯, 陳海東. 基于虛擬樣機的導彈數字化協同設計技術[J]. 導彈與航天運載技術, 2005(4): 23-28.

[4] 張慶偉. 數字航天推動中國信息化發展[J]. MIe高層論壇, 2004(1): 4-7.

[5] 廖少英. 液體火箭推進增壓輸送系統[M]. 北京: 國防工業出版社, 2007.

[6] 張麓冰. 數字化設計與三維cad的應用[J]. 裝備制造技術, 2011(11): 61-63.

[7] 談風奎. 航天數字化集成制造技術實踐[J]. 航天制造技術, 2005(11): 26-30.

3d digital design Technology for Pressurization Feed Systems

Wu Heng, Sun Shan-xiu, Ma Fang-chao, du Zheng-gang, Zhang Li-qiang
(Beijing Institute of aerospace Systems engineering, Beijing, 100076)

as the number of aerospace tasks increases and the information technology develops, digital design technology acting as the core of advanced design technology has been developing rapidly. The pressurization feed system, as one of the key subsystems of the dynamical system uses digital design means technology to complete geometric prototype design and digital mock-up, realizing the 3-d digital design for pressurization feed systems and improving the design efficiency.

digital; design; pressurization feed systems

V434

a

1004-7182(2016)01-0036-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160109

2014-10-15；

2015-04-25

吳 姮（1984-），女，工程師，主要研究方向為液體火箭增壓輸送系統設計