虛擬樣機(jī)技術(shù)在載人航天發(fā)射場中的應(yīng)用

賈立德，鄭永煌，李建忠，徐曉婭

(中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心試驗(yàn)技術(shù)部，蘭州732750)

1 引言

載人航天發(fā)射場是飛船、運(yùn)載火箭等產(chǎn)品測試發(fā)射過程中使用的所有地面設(shè)施設(shè)備總稱［1］。隨著航天發(fā)射任務(wù)的日益增多，對(duì)發(fā)射場設(shè)施設(shè)備的可靠性安全性和精細(xì)化維修保障能力要求越來越高。傳統(tǒng)的基于定性手段和經(jīng)驗(yàn)的維修保障方法已經(jīng)越來越不適應(yīng)新的任務(wù)要求［1］。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是上世紀(jì)90年代中后期隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。在美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家，虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了航空航天、工程機(jī)械、造船等多個(gè)方面，如火星探測器“探路號(hào)”的設(shè)計(jì)，波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)，以及重大故障問題和過程的再現(xiàn)與分析等［2，3］。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是指基于產(chǎn)品計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化方法。它以計(jì)算機(jī)仿真和建模為依托，融合智能化設(shè)計(jì)技術(shù)、并行工程、仿真工程等，最終目標(biāo)是對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、使用性能進(jìn)行精確、量化分析與預(yù)測，從而達(dá)到設(shè)計(jì)和維護(hù)使用管理的最優(yōu)化［2-7］。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是在CAD/CAM/CAE和物理樣機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基礎(chǔ)為多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)有限元理論、其他領(lǐng)域物理系統(tǒng)的建模與仿真理論等，是產(chǎn)品的多領(lǐng)域數(shù)字化建模的集合體，包含有真實(shí)產(chǎn)品的所有關(guān)鍵特征。虛擬樣機(jī)的三個(gè)要素為:進(jìn)行功能分析的仿真模型;表達(dá)集合形狀與機(jī)構(gòu)的CAD模型;用于實(shí)現(xiàn)可視化與表達(dá)的虛擬環(huán)境模型［2-7］。

本文對(duì)近年來在載人航天發(fā)射場綜合維修保障領(lǐng)域開展的虛擬樣機(jī)技術(shù)研究與應(yīng)用情況進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)在載人航天發(fā)射場的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了分析。

2 應(yīng)用領(lǐng)域和特點(diǎn)

2.1 應(yīng)用領(lǐng)域

載人航天發(fā)射場設(shè)施設(shè)備按照專業(yè)領(lǐng)域，可以劃分為非標(biāo)機(jī)械設(shè)備、電控設(shè)備、加注供氣設(shè)備、空調(diào)消防設(shè)備和供配電設(shè)備幾大類。載人航天發(fā)射場虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用就是圍繞上述設(shè)備的綜合維修保障分析等開展的，可以分為結(jié)構(gòu)分析和流場分析兩大內(nèi)容，具體包括:結(jié)構(gòu)的三維建模與仿真、結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性分析、發(fā)射場各種物理場(溫度場、電磁場)的建模與仿真等多個(gè)方面。

載人航天發(fā)射場虛擬樣機(jī)技術(shù)的典型應(yīng)用領(lǐng)域如圖1所示。

圖1 載人航天發(fā)射場虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域Fig.1 Application field of virtual prototype technology in manned space launch site

2.2 應(yīng)用特點(diǎn)

與其他領(lǐng)域相比，載人航天發(fā)射場設(shè)施設(shè)備的高可靠性安全性要求特點(diǎn)決定了虛擬樣機(jī)技術(shù)在發(fā)射場中的應(yīng)用具有自身的特點(diǎn)和特殊性。

1)設(shè)施設(shè)備全壽命周期綜合應(yīng)用

載人航天發(fā)射場設(shè)施設(shè)備的復(fù)雜性和特殊性，決定了發(fā)射場虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用首先具有面向設(shè)施設(shè)備全壽命周期綜合應(yīng)用的顯著特點(diǎn)。也就是說，發(fā)射場虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用不僅注重設(shè)施設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)，同時(shí)也注重在設(shè)施設(shè)備使用、維修、保障等方面發(fā)揮作用，即面向全生命周期的綜合應(yīng)用，如圖2所示。

圖2 全生命周期的虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用框圖Fig.2 Schematic of full life-cycle application of virtual prototype technology

2)涵蓋發(fā)射場的主要專業(yè)和分系統(tǒng)

雖然載人航天發(fā)射場設(shè)施設(shè)備種類繁多，但本質(zhì)上是一個(gè)機(jī)、電、液、氣綜合系統(tǒng)。由圖1可以看出，虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域能夠涵蓋發(fā)射場的主要專業(yè)和分系統(tǒng)，如非標(biāo)機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析、三維可視化建模和控制性能分析;加注供氣系統(tǒng)的熱分析以及空調(diào)保障系統(tǒng)的溫度場分析等。因此，虛擬樣機(jī)技術(shù)在發(fā)射場具備廣泛應(yīng)用和從根本上提升發(fā)射場綜合維修保障能力的前提條件。

3)以結(jié)構(gòu)分析和流場分析為主要內(nèi)容

虛擬樣機(jī)技術(shù)在載人航天發(fā)射場的應(yīng)用涵蓋了發(fā)射場的主要專業(yè)和分系統(tǒng)。從虛擬樣機(jī)技術(shù)在發(fā)射場應(yīng)用的專業(yè)理論領(lǐng)域來看，虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用主要是以結(jié)構(gòu)分析和流場分析為主要內(nèi)容。也就是說，主要用到的是結(jié)構(gòu)力學(xué)、有限元分析、場分析、數(shù)值傳熱等領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論。

3 典型應(yīng)用

3.1 關(guān)鍵設(shè)備三維可視化建模

建立臍帶塔等發(fā)射場關(guān)鍵設(shè)備的三維可視化模型，能夠?yàn)榭焖佟?zhǔn)確的開展箭塔接口協(xié)調(diào)、技術(shù)會(huì)商提供一種有效、精確、直觀的技術(shù)手段［4-7］。

在Pro/E平臺(tái)上，建立了載人航天發(fā)射塔零部件和裝配體三維可視化模型，如圖3所示。同時(shí)設(shè)計(jì)開發(fā)了模型管理數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)大量的零部件模型和裝配體模型的高效組織、管理、存儲(chǔ)和使用。系統(tǒng)主要功能包括:

1)零部件設(shè)計(jì)、工藝信息的存儲(chǔ)與顯示。系統(tǒng)在形象、完整顯示零部件三維構(gòu)型的基礎(chǔ)上，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，完整記錄各零部件的尺寸、材料、裝配工藝等信息。

2)零部件信息的檢索查詢。系統(tǒng)能夠根據(jù)零部件名稱等檢索關(guān)鍵詞對(duì)零部件信息進(jìn)行查詢，方便技術(shù)協(xié)調(diào)和會(huì)商。

3)動(dòng)態(tài)演示設(shè)備運(yùn)行原理。系統(tǒng)利用Pro/E軟件的裝配體設(shè)計(jì)與動(dòng)畫演示模塊，對(duì)關(guān)鍵部件的運(yùn)行原理、裝配/拆卸順序進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，便于更加形象直觀地掌握設(shè)備原理和狀態(tài)。

圖3 載人航天發(fā)射塔三維可視化模型Fig.3 Visual 3D models of manned-space launch tower

3.2 基于有限元法的結(jié)構(gòu)靜動(dòng)特性分析

準(zhǔn)確掌握臍帶塔回轉(zhuǎn)平臺(tái)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在各種復(fù)雜載荷作用下靜動(dòng)特性，對(duì)于準(zhǔn)確掌握設(shè)備使用維護(hù)規(guī)律，確保設(shè)施設(shè)備可靠性安全性具有重要意義［8，9］。

利用有限元軟件平臺(tái)Nastran，對(duì)臍帶塔回轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)靜動(dòng)特性進(jìn)行了分析建模，如圖4所示，其中圖4(a)為第三組回轉(zhuǎn)平臺(tái)的有限元模型，圖4(b)為其第一階振型計(jì)算結(jié)果。

風(fēng)載荷是影響發(fā)射時(shí)刻臍帶塔回轉(zhuǎn)平臺(tái)展開的重要因素［10，11］，尤其是 2009 年臍帶塔回轉(zhuǎn)平臺(tái)由原來的非封閉狀態(tài)改造為封閉狀態(tài)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)受風(fēng)面積大大增加，結(jié)構(gòu)靜動(dòng)特性發(fā)生變化。利用上述有限元分析結(jié)果能夠?qū)δ殠剞D(zhuǎn)平臺(tái)受風(fēng)載荷的影響進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。由圖4可以看出，封閉后的回轉(zhuǎn)平臺(tái)一階固有頻率為1.8 Hz，高于常見風(fēng)振頻率(0.5 Hz)，因此從結(jié)構(gòu)風(fēng)振的角度分析，封閉后的回轉(zhuǎn)平臺(tái)是安全的。

圖4 臍帶塔第三組回轉(zhuǎn)平臺(tái)有限元分析結(jié)果Fig.4 Finite element analysis of the 3rdrotating platform

3.3 發(fā)射場電控設(shè)備虛擬仿真與訓(xùn)練

計(jì)算機(jī)和電氣控制是發(fā)射場關(guān)鍵設(shè)備的主要控制方式。開發(fā)發(fā)射場電控設(shè)備虛擬仿真與訓(xùn)練平臺(tái)，對(duì)提高崗位人員故障分析處置能力具有重要意義。

利用Visual Graph圖形插件建立了臍帶塔回轉(zhuǎn)平臺(tái)、電纜擺桿控制系統(tǒng)的虛擬電控仿真系統(tǒng)，如圖5所示。系統(tǒng)主要功能如下:

1)在操作面板、工作原理仿真界面中，所有元器件均可根據(jù)操作實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)同步動(dòng)作，準(zhǔn)確再現(xiàn)系統(tǒng)工作原理和過程;

2)設(shè)備運(yùn)行過程中的模擬量參數(shù)，可在操作面板儀表盤上實(shí)時(shí)顯示出來，并與系統(tǒng)真實(shí)狀態(tài)相同;

3)控制原理、工作原理界面可單獨(dú)用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)原理分析，在圖中能反映實(shí)際設(shè)備的運(yùn)行原理和過程，可用來進(jìn)行交互故障診斷分析;

4)開發(fā)了虛擬專家腳本數(shù)據(jù)，可以仿真系統(tǒng)正常的操作運(yùn)行過程，或仿真顯示不同器件故障的運(yùn)行原理及設(shè)備狀態(tài)信息。

3.4 臍帶塔封閉區(qū)溫度場建模與評(píng)估

神舟飛船、運(yùn)載火箭等產(chǎn)品對(duì)臍帶塔測試封閉區(qū)的環(huán)境溫濕度有嚴(yán)格的要求。但長期以來，發(fā)射場主要依靠經(jīng)驗(yàn)和定性分析手段對(duì)臍帶塔封閉區(qū)環(huán)境溫度進(jìn)行簡要分析與估計(jì)，誤差較大。尤其是對(duì)于推遲發(fā)射等特殊情況下需要對(duì)臍帶塔封閉區(qū)環(huán)境溫度保障能力進(jìn)行精確計(jì)算、評(píng)估時(shí)顯得手段不足［1］。

利用Fluent軟件，建立了臍帶塔封閉區(qū)溫度場的數(shù)值模型。為了提高計(jì)算效率，選取臍帶塔封閉區(qū)的一半建立數(shù)值模型，對(duì)稱面為封閉區(qū)的閉合界面。根據(jù)結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的模型，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格組成的混合網(wǎng)格，中間以楔形網(wǎng)格進(jìn)行過渡，減少網(wǎng)格數(shù)量，加快收斂速度和結(jié)果精度［12］。

結(jié)果如圖6所示，其中(a)為臍帶塔封閉區(qū)內(nèi)部對(duì)稱面上穩(wěn)定情況下溫度分布趨勢(shì)云圖，由圖可知，整個(gè)封閉區(qū)內(nèi)部溫度分布符合流體力學(xué)規(guī)律，上部空間溫度較高，越接近下部，溫度越低;(b)為臍帶塔封閉區(qū)內(nèi)部穩(wěn)定情況下對(duì)稱面上部、下部溫度分布等值線圖。由圖6可知，溫度變化較為劇烈的位置主要集中在空調(diào)出風(fēng)口位置以及封閉區(qū)邊界狹縫處，可知由于空調(diào)系統(tǒng)的效應(yīng)，造成內(nèi)外空間的溫差并形成強(qiáng)烈的對(duì)流熱交換。

圖5 臍帶塔電纜擺桿控制系統(tǒng)虛擬電控仿真平臺(tái)Fig.5 Virtual simulaton platform of cable swinging rod control system

圖6 臍帶塔封閉區(qū)溫度場建模與評(píng)估Fig.6 Modelling and evaluation of temperature feld of the closed-space

4 應(yīng)用體會(huì)

4.1 發(fā)揮的作用

信息化、數(shù)字化是未來航天發(fā)射場的必然發(fā)展趨勢(shì)。通過作者最近幾年的相關(guān)研究工作，可以看到，虛擬樣機(jī)技術(shù)在未來發(fā)射場建設(shè)，尤其是信息化建設(shè)中必將起到重要作用。概括起來，可以分為以下幾個(gè)方面:

1)為實(shí)現(xiàn)發(fā)射場關(guān)鍵設(shè)備功能特性的精確、定量評(píng)估奠定重要技術(shù)基礎(chǔ)。對(duì)發(fā)射場關(guān)鍵設(shè)備的功能、性能指標(biāo)進(jìn)行精確、量化分析與評(píng)估是發(fā)射場未來建設(shè)發(fā)展的必然要求。通過可視化建模、數(shù)值分析、有限元計(jì)算等方法，為上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了具體而可行的技術(shù)手段。

2)為人員訓(xùn)練、能力評(píng)估提供直觀、可視的平臺(tái)。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使原來抽象、復(fù)雜的設(shè)備原理和結(jié)構(gòu)形象化、具體化、直觀化，從而為崗位人員的訓(xùn)練、能力評(píng)估提供了便捷的平臺(tái)和手段。

3)為接口協(xié)調(diào)、技術(shù)會(huì)商、設(shè)備維修改造提供技術(shù)支持手段。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使得我們?cè)诨鸺c地面設(shè)備接口協(xié)調(diào)、技術(shù)會(huì)商和設(shè)備維修改造中能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的掌握設(shè)備技術(shù)狀態(tài)變化情況，確保接口的匹配性、協(xié)調(diào)性，改造的準(zhǔn)確性、合理性。

4.2 經(jīng)驗(yàn)體會(huì)

結(jié)合虛擬樣機(jī)技術(shù)在載人航天發(fā)射場實(shí)際應(yīng)用中遇到的技術(shù)問題，可以得出以下經(jīng)驗(yàn)體會(huì):

1)模型的精確性和復(fù)雜性問題。結(jié)果的準(zhǔn)確性必然要求模型的精確性。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，如果不對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕捅厝粚?dǎo)致模型過于龐大和復(fù)雜，主要表現(xiàn)在模型數(shù)據(jù)量大、仿真運(yùn)算速度慢，一些次要的現(xiàn)象和結(jié)果往往掩飾事物的主要規(guī)律和矛盾。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，必須要處理好模型的精確性和復(fù)雜性之間的矛盾問題。具體而言，就是針對(duì)需要的結(jié)果和分析對(duì)象，將模型進(jìn)行充分的簡化，將不影響主要規(guī)律和結(jié)果的次要問題進(jìn)行簡化，例如在回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元分析中，就可以將結(jié)構(gòu)中的非承力件簡化。

2)推廣應(yīng)用平臺(tái)的構(gòu)建問題。虛擬樣機(jī)技術(shù)在航天發(fā)射場的應(yīng)用必須要依賴良好的應(yīng)用平臺(tái)。如前所述，虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用包括很多基于不同軟件和技術(shù)構(gòu)建的具體模型和分析仿真結(jié)果。這些模型和分析結(jié)果的應(yīng)用，尤其是在操作崗位的應(yīng)用，必須要有一種基于統(tǒng)一平臺(tái)的多種類資源應(yīng)用系統(tǒng)，能夠方便、快捷地實(shí)現(xiàn)交互操作和仿真運(yùn)行，這樣才能適應(yīng)高密度常態(tài)化試驗(yàn)任務(wù)要求。作者體會(huì)，基于交互式電子技術(shù)手冊(cè)的應(yīng)用平臺(tái)就是一種可行的選擇。

5 結(jié)論

通過對(duì)發(fā)射場虛擬樣機(jī)技術(shù)幾個(gè)典型應(yīng)用的分析介紹，可以發(fā)現(xiàn)，虛擬樣機(jī)技術(shù)是發(fā)射場信息化建設(shè)和未來發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ);是發(fā)射場設(shè)計(jì)、建設(shè)、使用與維修保障，逐漸由功能性分析向性能性分析，由定性分析向定量分析，由經(jīng)驗(yàn)分析向精確分析轉(zhuǎn)變的必然要求;也是計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)在發(fā)射場不斷應(yīng)用的必然結(jié)果。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一個(gè)非常廣泛的技術(shù)領(lǐng)域，在發(fā)射場的應(yīng)用也必將隨著發(fā)射場的建設(shè)發(fā)展而不斷深入。充分發(fā)揮虛擬樣機(jī)技術(shù)在發(fā)射場的作用和效能，提升發(fā)射場綜合技術(shù)水平，仍是一個(gè)重要的課題和努力的方向。

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