火箭發動機向導式仿真流程構建

馬曉丹，周晨初，張晨曦

(1.火箭軍工程大學，陜西 西安 710072；2.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

面對航天發射任務密度日益增高、發動機研制任務日漸繁重、質量形勢依舊嚴峻和設計人員流失的形勢，通過數字化手段提升設計過程的效率、通過數字化手段提高仿真過程的規范程度是縮短產品研制周期和提升產品質量的一種有效手段。

目前數字化仿真分析軟件在設計過程中應用普遍，但由于軟件種類多、個體應用程度不同等造成了仿真分析過程規范化程度較低、仿真過程占用設計時間較長的問題。此外，火箭發動機仿真分析具有一定技術門檻，既需要設計人員具備發動機設計基礎，也需要積累相關仿真經驗，對仿真軟件操作更有較高的要求，學習周期長、入門難度高。定制化的仿真二次開發可以將技術、發動機設計仿真經驗與仿真流程封裝成模板，僅需輸入相應參數，模板自動執行仿真計算，快速獲取仿真結果。通過對國內外現狀調研，向導式仿真流程技術作為新的仿真流程開發框架技術，在國內機械設計領域很少應用，航天領域更是無相關案例。

綜上，基于向導式流程的火箭發動機仿真系統目標是：針對基于向導式流程的火箭發動機組件仿真現狀，借鑒和吸納國內外成熟、先進的向導式仿真分析思想和技術，綜合集成不同學科專業的各種建模和分析工具，充分運用先進的仿真技術、數據管理、流程管理等，建設基于向導式流程的發動機組件仿真數字化系統，提高仿真協作、促使知識沉淀、規范仿真程序，從而提升仿真水平，最終建立基于向導式流程的火箭發動機仿真數字化系統。

1 發動機組件仿真系統

基于向導式流程的發動機仿真[1-2]系統以C/S架構為入口，創建基于ACT[3](ANSYS Customization Toolkit)的發動機組件仿真模型的向導化、自動化交互流程。基于向導式流程的發動機仿真系統架構如圖1所示。

仿真系統主要由應用層、功能層、資源層等組成，各層作用及組成部分如下：①應用層主要是功能層面，通過WPF開發的門戶軟件，實現對向導的管理，材料庫的管理，材料庫的增、刪、改、查功能以及分析報告模板庫，實現發動機組件的流體分析向導、強度分析向導、耦合分析向導、臨界轉速分析向導等應用模式；②功能層主要根據應用場景實現各功能模塊或引用相關的功能模塊支持，包括幾何導入功能、網格劃分功能、外界材料庫功能、非線性功能、流程引擎功能、外部程序集成功能、知識技巧推送功能、仿真過程數據管理功能等；③資源層是基礎層，包括WPF、IronPython、XML、C#、SQLit數據庫、ANSYS ACT Wizard以及ANSYS Workbench、CFX、TurboGrid、DesignModeler、Mechanical軟件等。三層構建的基于向導式流程的發動機組件仿真構建系統可以驅動設計、仿真、分析各環節的建模、修正、求解和后處理。

圖1 基于向導式流程的發動機仿真系統架構Fig.1 Engine simulation system architecture based on a wizard flow

由于發動機組件仿真過程中需要對發動機零組件模型進行交互操作[4]，因此采用混合向導的模式創建，通過二次開發，利用開發的自動化向導仿真流程引導完成自動導入幾何模型、組件相關參數、根據模板快速拾取并定義邊界以及相關的結構化/非結構化網格劃分、邊界條件設定、程序化后處理等，以工作流的方式引導完成發動機組件的仿真分析流程。

2 向導式發動機組件仿真二次開發

發動機零組件仿真分析過程從模型獲取開始，經過模型網格劃分、流場仿真分析、結構仿真分析最終生成仿真分析結論并形成仿真分析報告。在獲得了發動機零組件模型的基礎上，發動機進行零組件仿真尚無一站式、向導式的仿真數字化流程。目前的仿真過程依賴設計人員的手動傳參、手動在各個仿真工具間跳轉計算、分析；仿真工具全英文，操作學習門檻高[5]；更無自動化仿真報告生成工具。根據第一部分對發動機組件仿真系統的描述，通過有針對性的發動機零組件仿真個性化二次開發，構建適應于液體火箭發動機各組件的專業仿真分析流程。

相對于其他方式的仿真流程開發技術[6-7]，向導式仿真流程的開發技術可在完成仿真流程向導化的基礎上最大程度地保留應用層的自由度，減少仿真分析工作中的約束性，滿足發動機組件仿真流程應用靈活操作的需求。

向導式發動機組件仿真二次開發的目標是：實現自動傳遞發動機零組件專業參數；實現代碼引導的仿真工具自動化分析；編制明晰且規范化的仿真向導和流程節點；開發適用于發動機專業的全中文仿真流程；開發全自動化的仿真分析報告生成工具。

發動機組件仿真流程設計包含仿真流程設計開發和界面設計開發兩個階段。在仿真流程設計開發階段，首先需要對仿真流程進行參數化，開發方式有兩種：WB參數化和腳本參數化；然后通過WB腳本對仿真流程進行集成和調用。界面設計開發階段，封裝仿真流程，提供與仿真流程中輸入和輸出參數間交互的使用界面。

2.1 向導式發動機組件仿真二次開發流程

向導式發動機組件仿真的開發包括仿真流程開發及界面開發。仿真流程的實現通過以幾何模型為對象[8-9]，對其關鍵幾何及拓撲結構進行提參，形成參數化的腳本，然后運用參數化腳本文件及發動機零組件的仿真文件作為界面開發的回調及批處理調用。實際開發過程中，使用SCDM(SpaceClaim DesignModeler) + Mechanical的組合開發模式，即向導(Wizard)的方式開發仿真流程。利用SCDM的直接建模能力和豐富的CAD接口、模型修復功能和腳本建模能力，為Mechanical分析提供所需的幾何模型輸入，完成從幾何建模或導入、Mechanical前處理、仿真求解和后處理報告的自動化仿真過程，固化整個仿真分析流程。

界面開發通過XML定義向導界面，定義流程的輸入輸出參數，定義文本框、下拉、瀏覽等控件，并聲明調用仿真流程界面實現的回調函數，實現輸入輸出參數的替換，WB界面交互操作的調用等，需要調用仿真文件時通過批處理命令完成調用。在仿真分析完成時讀取結果完成報告并更新向導界面參數顯示。向導式發動機組件仿真流程開發流程如圖2所示。

圖2 基于向導式的發動機仿真流程開發流程Fig.2 Engine simulation process development process based on wizard

2.2 向導式發動機組件仿真流程開發

通過訪問對象的方式將界面中的各種操作轉化成代碼，執行代碼并設定相應的參數，可實現向導式發動機組件仿真流程開發。以Mechanical為例說明實現ACT訪問Mechanical結構樹的功能。

Mechanical對象結構樹通過ACT訪問Mechanical結構樹時，ExtAPI.DataModel.Project是所有對象的根節點。腳本對象訪問遵循和Mechanical結構樹相同的結構，訪問所有子節點上的對象及選項。如訪問Mesh對象，輸入ExtAPI.DataModel.Project.Model.Mesh。采用相同方式訪問模型所有第一級對象如Geometry、CoordinateSystems等。除了Environment對象(如邊界載荷、后處理等)之外，結構樹中的所有對象都遵循單例模式，即第一級對象的實例對象不可能同時存在兩個。Environment對象作為第一級對象的子對象，存在一個或多個實例對象，不存在直接的訪問點。如添加多個Pressure載荷，訪問這些對象，就必須通過Children屬性或GetChildren方法訪問。Mechanical對象結構樹與應用結構樹之間的對應關系如圖3所示。

圖3 Mechanical對象結構樹與應用結構樹之間的對應關系Fig.3 Correspondence between the mechanical object structure tree and the application structure tree

2.3 向導式發動機組件仿真界面開發

針對發動機組件仿真流程特點[10-12]，仿真分析流程中的界面開發通過XML的方式實現。在向導式發動機組件仿真流程開發過程中采用XML方式實現。XML界面開發過程包括：界面代碼開發、后端代碼回調、界面布局設計3個部分。

2.3.1 界面代碼開發

運用ACT界面開發框架規定的XML標記，定義Wizard向導標簽元素。

元素定義為XML文件的根元素，包含以下的屬性：name-名稱、version-版本、icon-圖標、minorversion-小版本。

為向導定義元素，包含name-名稱、version-版本號、context-執行環境等強制屬性和caption-說明、layout-布局等可選屬性。

向導步驟定義元素，其中包含了name-名稱，version-版本等強制屬性、caption-說明、callback-回調、HelpFile-幫助文本等可選屬性。

針對發動機組件仿真過程，通過XML定義ACT標簽元素，設計了發動機組件流體分析、強度分析、模態分析、臨界轉速分析等向導式仿真流程，每個向導式仿真流程均根據仿真分析流程中的模型導入、網格劃分、邊界定義、求解計算及后處理等通用步驟創建相關步驟。界面開發時對仿真分析時需要輸入的如網格類型、網格大小、邊界面選擇、載荷大小、迭代步設置等參數通過定義向導步驟元素開放到界面，向導執行時通過界面對這些參數的定義實現仿真流程的參數化。

2.3.2 后端代碼回調

中的callback屬性用于函數回調，用于調用仿真流程代碼中已定義的函數，函數回調包含3種方式：

onupdate，當callback回調屬性為onupdate時，單擊Next按鈕或者Finish按鈕時調用此回調函數。例如，運用向導界面劃分網格，執行調用外部程序等。

onrefresh，當callback回調屬性為onrefresh時，ACT每次刷新向導界面都會調用此回調函數。例如，用來繪制圖形、刷新結果參數等。

onreset，當callback回調屬性為onreset時，一般用于單擊Back按鈕時調用。onreset回調函數需要在步驟N中定義，并且單擊步驟N+1的Back按鈕時將調用。

2.3.3 界面布局設計

向導的界面布局設計通過對元素的定義，確定向導界面中的Title模塊、Steps模塊、Properties模塊、Help模塊及Submit模塊的物理位置布局，這些布局形式在元素中被調用引用，用于定義該步驟中各界面模塊的排列方式。ACT允許通過web開發技術中的css文件對向導頁面默認布局進行調整。

2.4 向導式發動機組件仿真過程數據管理

從不同工況下仿真過程數據的管理需求出發[13-15]，對向導式仿真過程中每個設計點上的仿真數據進行管理。通過對單次執行數據的本地緩存、單次流程數據的本地緩存和最終結果數據的服務器統一管理，實現仿真數據管理和分析。

仿真過程數據通過數據池進行管理[16]，將仿真任務數據、輸入參數、仿真結果、過程變量及過程文件通過數據服務中心保存到本地數據庫，流程執行完成后上傳到服務端。

仿真過程數據管理以SQLite數據庫為載體[17-19]，以每次啟動仿真任務的信息作為實體核心，對不同的仿真分析流程建立不同的存儲實體，每次向導式分析流程完成都會采用唯一Key值作為實體標記，實體核心主要記錄仿真任務信息，包括操作人員、仿真時間、運行時間及計算資源等。各實體分別記錄仿真流程信息，包括模型處理、網格劃分、邊界加載及結果提取等步驟的過程數據。

3 向導式發動機組件仿真實例

以典型發動機組件仿真過程為例[4]，對發動機零組件的向導式仿真分析流程進行構建。從模型庫或文件系統導入發動機組件模型，對導入的模型進行網格劃分，通過引用流場分析結果作為發動機組件強度分析的輸入條件。在流場分析的基礎上，獲取發動機組件流體域流場分析溫度場、壓力場分布，自動提取發動機組件結構分析所需的相關載荷，應用于結構分析模塊，獲取溫度、壓力數據的插值并將其耦合到殼體辦界進行強度分析，最后根據模板中保存的報告模板信息生成對應的分析報告。

基于向導式流程的發動機組件仿真構建系統應用流程如圖4所示。

圖4 發動機組件仿真構建系統的應用流程Fig.4 Application flow of engine component simulation construction system

3.1 仿真分析向導構建

以發動機組件的多個仿真分析向導流程為例，給出發動機組件仿真分析向導的構建過程和仿真實現。

向導封裝靜強度分析過程中的模型導入、邊界類別定義、網格劃分、物理模型、邊界、求解、后處理功能，以向導的方式引導完成以上仿真分析過程。此向導是由模型導入向導、網格劃分向導、求解設置等向導組成的混合向導，集成多種向導為一個強度分析向導完成強度分析計算(見圖5)。

圖5 發動機組件結構強度分析工作流Fig.5 Engine component structural strength analysis workflow

發動機組件結構強度分析向導的輸入輸出參數如表1所示。

表1 發動機組件結構強度分析向導輸入輸出參數Tab.1 Input and output parameters of engine component static strength analysis wizard

3.2 模型預處理向導

模型處理技術含模型導入、模型邊界的拾取及定義、組件參數等，快速在相應的導航面板中對相對應的部件進行快速定義[20]。通過模型導入向導導入符合特定要求的模型，對導入模型的邊界進行拾取及定義(包括Inlet、Outlet、Wall、Rotor、Stator等)。

向導式發動機組件仿真流程支持導入前端設計工具產生的各類模型文件，并對導入的模型文件、前端設計工具產生的模型文件和仿真過程數據進行集成管理。仿真向導通過可視化界面給出了參數的約束條件、說明、圖示等。

以電磁閥的模型預處理向導為例：①應用仿真過程數據管理技術，對前端設計工具(Pro/E、NX)產生的電磁閥三維模型文件進行管理；②按照電磁閥模型預處理向導中提供的模型導入約束條件對仿真過程數據庫中的電磁閥模型進行篩選、導入；③對導入后的模型文件進行預處理，同時建立該文件與后續仿真過程數據的數據包，為仿真模型和仿真過程數據集成管理提供條件。

3.3 網格劃分向導

網格劃分包含非結構化網格劃分向導和結構化網格劃分向導2種。

非結構網格劃分向導對導入并定義好邊界類型的幾何模型或模型部件進行快速的非結構網格劃分，網格參數定義是通過前端網格參數設置面板來實現的，網格參數包括網格劃分方法、網格類型、網格過渡比、棱柱層、最小間隙網格層數等，網格劃分完成后可現實網格數量的查看及網格質量的評價。

結構化網格劃分向導主要是用來對發動機組件中特定組件(如渦輪等轉動部件)進行結構化網格劃分。部件模型構建是通過組件參數導入及邊界條件定義向導來實現的，重構的幾何模型劃分全結構化六面體網格。

發動機組件網格劃分向導為非結構網格劃分向導：定義細化網格選擇，細化分段定義等選項，向導根據頁面定義自動劃分非結構網格。

3.4 工況及邊界設定向導

發動機組件仿真流程集成發動機仿真各物理場分析所需的邊界條件，將仿真分析涉及到的物理模型設置及參數設置封裝集成到求解向導模板，通過對向導頁面中開放的邊界設定選項的定義，向導執行時按照頁面定義對模型進行邊界條件的自動設定如約束、載荷等。半交互式的向導也允許在完成邊界定義后對模型邊界進行干預式調整、增加邊界條件等操作。

發動機組件邊界設定要定義固支面、載荷面及壓力大小等選項。邊界的選擇通過界面操作應用于向導選項。

3.5 后處理向導

后處理向導定義要提取的結果數據及結果云圖，也可自定義提取結果。向導的開發通過代碼方式實現后處理結果的提取、處理、展示等功能。半交互式的向導也允許在完成分析后對仿真結果進行查看等操作。以推力室模態分析向導的實現為例，展示后處理向導的實現結果，如圖6所示。

圖6 推力室模態分析向導Fig.6 Thrust chamber modal analysis wizard

4 結論

利用火箭發動機向導式仿真系統實現了仿真過程的規范化、數字化。通過與一般仿真分析過程的實際對比，向導式仿真分析的高度集成的特性降低了仿真分析用時；對一般仿真分析軟件的兼容和嵌入式集成保證了仿真分析結果的一致性和準確性；向導式操作和統一的數據管理模式提升了仿真流程的規范性，降低了設計人員的學習門檻。

火箭發動機向導式仿真系統達到了提升發動機組件仿真規范化、數字化程度和降低仿真分析難度的目標，提高了設計協作、促使知識沉淀、規范仿真流程，從而提升仿真效率和水平，為液體火箭發動機設計效率提高和質量提升提供支持。