姚 骏,袁金如,杨金军,张凌燕,汪泽宇,王志瑾

(1. 南京航空航天大学 航空学院,江苏 南京 210016;2. 上海卫星工程研究所,上海 201109)

0 引 言

卫星作为典型复杂的航天产品,有着单件定制、种类繁多、结构复杂、专业综合的特点,在设计过程中存在着大量的方案变更、设计迭代和性能优化,是一项跨专业、跨单位协同的系统性工程。随着研制密度的不断提高和研制周期的不断缩短,航天一次成功的硬约束亟需数字化手段来保证“设计即正确、制造即合规、研制即成功”的需求,解决卫星数字化研制中面临的协同不畅、复用率低、集成不够等问题。

MBD(基于模型的定义)是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品数字化信息的系统方法[1],是全机样机的实现形式,国内外航空航天行业开展了大量研究与应用,也为卫星数字化研制提供了可行的途径。本文重点介绍卫星数字化研制过程中基于MBD的分布式并行协同设计、机械产品精益化智能设计和设计制造一体化集成等3个方面应用技术研究,及在型号全流程工程实践中的应用情况。

1 基于MBD的协同研制发展现状

1.1 MBD技术应用发展现状

从1990年全面采用三维模型数字化设计开始,波音在数字化协同研制中经历了777数字化产品定义、737数字化过程管理、787全球优势企业联合研制等3个阶段[2],逐步实现了全三维数字模型构建及数字化预装配[3]、数字化研制过程管理和跨地域跨单位分布式协同研制[4]。其他如洛克希德马丁、空客等全球航空航天企业同步开展了相关技术研究和深度应用。

国内航空航天行业在全三维的数字化设计、工艺等方面进行了深入的探索和应用。航空工业通过多年实践,已实现了基于MBD的飞机数字化定义和异地数字化设计制造协同研制体系[5]。航天工业提出了基于MBD的设计制造一体化方案,并得以成功应用[6]。

目前,国内卫星研制已经形成了“跨域收集、协同设计、三维下厂”的数字化研制模式,初步实现了基于三维模型的设计制造一体化。卫星数字化协同研制模式如图1所示。

1.2 卫星研制中的数字样机构建历程

在卫星研制过程中,构建数字样机主要分为3个阶段,即几何表达阶段、设计表达阶段、工程表达阶段,样机的属性随之逐步丰富完善,图2给出了不同阶段的样机属性和样机应用。

图2 卫星数字样机构建历程

1.3 卫星数字化协同研制典型问题分析

综合分析国内外MBD相关研究现状,结合研制工程实际,卫星数字化协同研制过程中主要存在跨单位分布式协同设计整体流程不畅、星上机械产品设计信息复用率低和面向设计制造一体化的集成应用困难等问题,具体如下。

(1) 跨单位分布式协同设计存在着组织壁垒和技术隔墙,整体流程僵硬、流转不畅,主要表现为:①分系统单机设备的传统接口数据单与三维设计模型数据不同源,制约接口信息传递和使用;②多专业协同设计中,全局性关键信息内聚性较弱,总体层级的关键设计约束信息向分系统同步传递困难;③局部间接口信息耦合性较强,分系统间设计约束相互制肘,协同设计流程僵硬、流转不畅。针对这些问题,需突破卫星数字化分布式并行协同设计关键技术。

(2) 星上机械产品精益化智能设计程度低、设计信息传承和复用率低,主要表现为:①卫星顶层需求的频繁迭代直接反映到整星构型和设备布局上的迭代,而构型布局设计迭代和需求响应之间存在严重滞后的矛盾,基于历史设计数据的智能复用缺乏手段;②卫星产品设计(结构桁架和蜂窝板、电缆网、热控涂层等)受制于空间紧凑、数量繁多、形式多样、关系复杂等约束,流程烦琐、更改困难且模型再生容易失败,规范性、精益化、智能化程度不高。针对这些问题,需突破卫星机械产品精益化智能设计关键技术。

(3) 设计面向工艺、制造、检测的一体化集成应用存在困难,主要表现为:①工艺、制造与设计之间存在模型多次转换,设计模型与技术说明输入多源、关联应用不强,难以满足工艺、制造要求的设计输入唯一、信息完备和提取应用;②海量检测信息与设计信息匹配校验并快速准确给出产品合格性判定存在困难,缺少实现检测信息的逆向建模、多源信息的快速匹配与自动评估的手段;③总装集成过程状态复杂、切换频繁,基于文档的设计模式过程状态定义不清,结构化表达欠缺,设计要素分散。针对这些问题,需突破卫星多维度设计制造一体化集成应用关键技术。

2 基于MBD的卫星数字化协同研制关键技术

2.1 卫星数字化分布式并行协同设计

通过标准化的模型接口信息定义和主控骨架体系弹性耦合控制的柔性协同设计,实现基于三维模型的设计信息表达、信息同源和无损精准传递。

2.1.1 基于三维模型的标准机械接口信息定义

为解决分系统单机设备承研单位与总体设计单位之间技术数据交互的同源性、唯一性问题,采用模型轻量化与基于三维模型的标准化接口信息定义方法。基于三维模型的几何信息直接表达接口数据,以几何附属的结构化信息形式表达接口的非几何接口属性信息定义,实现对分系统单机设备三维模型的数字化表达。

单机设备模型轻量化处理是基于模型的机械接口数据定义的前提。模型轻量化处理时,通过合并元件使模型树更加简洁,便于避免造成PDM(Product Data Management,产品数据管理)系统的臃肿,同时减少不必要的再生,造成多余的版本变更;通过减少曲面等几何元素,降低对显卡的需求;通过减少特征元素与参照关系,减少模型再生时对计算机内存的占用。完成轻量化处理后的模型减小了数据总量,可以降低硬盘和内存资源消耗、提升协同能力、便于信息流转。图3为基于三维模型的机械接口信息定义及应用场景。

图3 基于三维模型的机械接口信息定义及应用

2.1.2 基于主控骨架体系弹性耦合控制的柔性并行协同设计

为实现上下游关联单位间的设计信息传递交互,采用基于主控骨架体系弹性耦合控制的柔性并行协同设计技术[7],通过总体顶层的关键设计约束和基准约束信息整合形成主控骨架,并以此作为全域的设计源头;将主控骨架向各分系统派生发布,形成分系统自身骨架;各分系统基于自身的骨架并行开展各自的设计工作,并将设计结果抽象整合形成对外的接口骨架模型;其他分系统通过接口骨架模型能够获取唯一来源的接口设计信息,据此开展相互之间的协同设计。主控骨架、分系统骨架和接口骨架这三者形成了以主控骨架为全域设计源头的骨架体系,通过全设计流程、全设计要素下的骨架体系纵向继承传递和横向并行协同,最终形成基准统一、信息自动传递的弹性耦合控制下的分布式并行协同设计。图4为基于主控骨架体系弹性耦合控制的柔性并行协同设计过程。

图4 基于主控骨架体系弹性耦合控制的柔性并行协同设计过程

2.2 卫星机械产品精益化智能设计

通过卫星构型布局的收放式快速设计和卫星机械产品的自适应智能设计,实现卫星构型布局方案的自主规划、卫星产品表达的精细可视和知识共享。

2.2.1 卫星构型布局的收放式快速设计

为快速形成卫星构型布局方案,对历史型号研制设计数据的抽象和提取,形成既有构型布局方案设计资源,将设计资源以数据库的形式进行整合,建立既有设计资源库,完成设计成果的数字化积累;开展卫星构型布局设计时,根据构型布局实际需要,从设计资源库中抽象继承各类设计资源(如整星的构型和架构、分系统单机设备配置、分系统布局方案、整星电缆束穿舱设计等),快速形成整星的部分构型和布局的设计方案;在构型布局方案的基础上,通过装配层级优化设计、动态拖拽等布局,调整实现单机设备的装配层级和详细布局设计,完成对各级(整星级、分系统级、单机设备级信息)设计模型继承,实现整星构型布局方案的快速响应迭代。图5为卫星构型布局的收放式快速设计过程。

图5 卫星构型布局的收放式快速设计过程

2.2.2 卫星机械产品的自适应智能设计

为解决卫星结构桁架等空间构成复杂、方案设计调整频繁、传统设计方式变更响应慢等问题,首先将桁架系统杆系结构的参数信息导入骨架模型中,创建接头点坐标系和杆件曲线,各模型之间形成柔性参照关系,拥有共同的参照基准和骨架模型,最后进行杆系结构的接头、杆件快速三维建模,既能有效避免修改时再生失败,又能保证骨架模型对杆系结构的有效控制。后续可根据仿真优化设计的结果,对结构桁架进行自适应动态更新[8]。其他产品如蜂窝板、电缆网、热控涂层等可采用类似方法开展自适应设计。图6为卫星桁架结构自适应智能化设计过程。

图6 卫星桁架结构自适应智能化设计过程

2.3 卫星多维度设计制造一体化集成应用

通过设计制造一体化信息复用、检测信息与设计信息匹配校验、面向对象的AIT(总装、集成和试验)结构化总装设计,形成PMI(产品制造信息)定义,实现了三维设计信息在工艺、制造、总装及检测过程中的多维度一致性集成应用。

2.3.1 基于设计信息结构化定义的设计制造一体化及信息复用

为降低制造端一致性与完备性地查阅和应用与应用设计端信息的难度,采用面向制造过程的细节结构虚拟化信息表达方式,对虚拟装配的元件和分层表达的设计信息进行平铺式、可查阅式的信息展示。制造端基于三维模型快速进行接头模具设计、工艺准备,并开展装配工艺仿真;通过3D打印快速生成模具,通过自动扫描检测仪测量接头空间角度;按照传统方法进行胶接装配。图7为面向制造的卫星复杂桁架设计示例。

图7 面向制造的卫星复杂桁架设计

2.3.2 基于容差设计优化与图像模糊处理的数字化检测与自动评估

为解决设计指标与标注一致性和同义性、测量设备采集的实物数据与设计数据集成校验等问题,以三维设计模型为基础,采用基于容差设计优化与图像模糊处理的数字化检测与自动评估方法,通过图像采集+图像分析实现原始数据的大量快速采集,利用数据模糊匹配+逆向建模图形进行最优拟合匹配,通过海量检测信息与设计信息匹配校验,实现数字化快速批量检测和自动评估,提高检测质量与效率。图8为面向制造的卫星蜂窝板设计示例。

图8 面向制造的卫星蜂窝板设计

2.3.3 基于对象的卫星AIT总装结构化设计

为便于卫星AIT总装技术要求的表达和数据采集,采用基于对象的方法,在卫星三维模型和数据对象上增加AIT相关工程属性定义,即各阶段配套信息、总装要求及指标信息,实现过程状态的设计与管控[9]。图9为基于卫星模型对象的整星总装设计表达组成,图10为基于卫星数据对象的整星总装设计信息补充表达。

图9 基于模型对象的整星总装设计表达

图10 基于数据对象的总装设计信息补充表达

3 MBD在某型号全流程的数字化研制应用

基于MBD的数字化研制在某卫星型号全流程研制过程中得到了应用验证,实现了卫星整星级数字样机构建,涵盖了单机设备、总体布局、结构、热控、电缆网的设计、制造、总装等数据。基于MBD的数字样机在某型号全流程研制的应用情况如图11所示。

图11 MBD数字样机在某型号全流程数字化研制的应用

3.1 几何表达阶段的单机轻量化及机械接口定义

单机设备数字样机分为几何表达和工程表达。该型号将工程属性信息定义到单机样机中,如安装面平面度、粗糙度、处理状态、材料,安装孔类型、螺钉规格、孔径公差等非几何要素均以单机三维模型为载体定义,实现了三维模型作为唯一设计输入源,单机模型轻量化及机械接口定义分别如图12, 13所示。

图12 单机设备轻量化示意图

图13 单机设备机械接口定义示意图

3.2 设计表达阶段的数字样机构建

3.2.1 卫星主控骨架样机构建

卫星主控骨架样机是卫星全机数字样机的控制核心,对各专业进行自上而下的纵向控制。该型号构建整星、舱段、舱板三层架构,并明确舱板的搭接、穿舱孔位置、大小等信息,并将该信息以派生骨架的形式分发至构型布局等其他专业。图14为某卫星主控骨架全机样机。

图14 某卫星主控骨架全机样机

3.2.2 各专业全机样机构建

卫星全机样机主要涉及构型布局、结构、热控、电缆网和推进等5个专业。这5个专业在接收总体构建的主控骨架样机后开展各自的详细设计,构建全机样机。图15是某卫星构型布局、结构、电缆网专业全机样机。

(a) 构型布局样机

3.3 工程表达阶段的卫星数字样机PMI定义

3.3.1 产品制造技术要求信息定义

制造技术要求主要面向产品制造阶段,将投产数量、投产单位、产品加工要求、精度要求、检验要求等制造信息定义到工程表达样机中。该型号通过三维简化标注将关键信息以三维标注的形式标注在样机中,并配合样机看板工具对未标注信息提供各类视图。以蜂窝板制造为例,通过信息查看看板,制造单位可读取各安装孔坐标位置、位置度公差、埋件规格等信息,可以构建测量样机,通过三坐标测量设备对蜂窝板安装孔进行数据采集,并与蜂窝板数字化样机拟合对比,得到检验结论,如图16所示。

图16 卫星蜂窝板的制造技术要求信息

3.3.2 卫星总装技术要求信息定义

总装技术要求信息主要面向卫星的AIT阶段,在总装模型中定义装星配套、装配要求等信息。该型号在整星总装样机模型中,通过技术要求骨架集群,基于整星、舱段、舱板及其下属单机或部组件对象为节点记录各类总装技术要求信息,如图17所示。

图17 全机样机中包含的总装技术要求信息

4 结 论

本文采用基于MBD的数字化分布式并行协同设计、机械产品精益化智能设计和多维度设计制造一体化集成应用等关键技术,构建了统一的卫星数字样机模型,实现了面向设计、工艺、制造、检测的一体集成、多维复用、全域共享,以及总体与分系统、设计端与制造端之间跨专业跨单位的协同并行研制。经型号实践验证,其应用效果良好,提高了设计质量和数据使用效率。