空間相機協同設計和集成分析技術研究

段鵬飛 李東 雷文平

（1 北京空間機電研究所，北京 100190）（2 中國航天科技集團公司，北京 100048）

1 引言

協同設計和分析［1］方法旨在提供一個基于項目的高度集成的設計工具（CAD）和性能分析工具（CAE）使用環境，以解決設計與分析過程中常用CAD 與CAE工具的數據交流問題。

空間相機的研制，通常涵蓋多學科問題（如機械、結構、熱學、光學、電子學等），各個學科之間相互影響，如熱光效應［2］、光機變形等［3］。在傳統的設計模式里，光-機-熱各學科設計單獨開展，各學科的設計師在自己的學科領域，運用本學科的專業知識和工具進行設計和性能分析［4-6］。受不同學科工程師專業知識背景和工程經驗的限制，不同學科之間很少有深入的交流或設計互動；受不同學科專業分析工具的限制，單學科分析產生的結果很難在學科間共享。這就導致多學科的集成效率較低，效果也不理想［1，7］。

這種模式下，要在整個研制過程中，實時把握相機系統的指標是非常困難的，需要不斷反復的學科間數據轉換和過程分析［4-5］，人力、物力耗費大，而且手工環節多［6］，極易產生錯誤。其結果是，相機系統級的缺陷總是在項目研制的末期才會暴露，此時往往已耗費了大量的人力、物力，使項目整體陷入被動。美國國家航空航天局2008年對16個預算超出和節點拖延的空間遙感項目進行調查，結果有12個項目是因前期學科交流不到位、導致后期問題暴露，占被調查項目總數的3／4［8］。

協同設計和分析方法按照設計與性能分析過程間的轉換順序和關系，打通了學科間常用CAD／CAE工具之間的數據接口，避免了大量反復的數據手工轉換過程，有利于實現空間相機的多學科集成設計和集成分析，保證甚至減少和縮短研制的成本和周期；同時還能使得設計師把更多的精力放在產品優化工作上，提高設計質量，進而提升空間相機系統的研制水平。

2 協同設計和分析方法

所謂協同設計和分析包含兩層含意：其一，設計與分析之間的協同，即CAD 與CAE 工具間的協同；其二，不同學科領域分析之間的協同，即不同學科CAE工具間的協同。協同設計和分析方法是通過工程數字模型的定義和流程模板的構建，以及兩者的關聯來實現的［1］。

2.1 工程數字模型——設計與分析協同的實現途徑

一臺空間相機的研制通常會被分解為光學、結構、熱學、電子學等多學科設計。各學科設計師使用專業的CAE 工具，建立自己學科領域相機的數字模型（樣機），分析相機的專業性能。

這些不同學科的CAE 分析方式有一個共同的特點，那就是以幾何模型為中心展開分析，而幾何信息都包含在CAD 軟件生成的相機結構模型中。這將導致CAE 分析嚴重依賴CAD 結構模型，具體表現在：首先必須先得到CAD 模型，才能實質性地開展CAE分析相關工作；其次，由于CAE 分析的設置（分析網格控制規則、邊界條件、求解類型等）都是針對具體CAD 模型定義的，CAD 模型的變更意味著各學科CAE 專業分析要再重新建模，求解設置要再重新定義。

然而設計工作的深入總是伴隨著結構設計的演化變更，設計師需要一個能包含所有CAD 模型與CAE分析屬性的數字模型。該模型的CAE 分析屬性設置不依賴于具體的CAD 模型，并且在CAD 模型發生變更后，與其相關的CAE 屬性依然被保留，并能夠直接參與性能分析。這樣的數字模型便是所謂的工程數字模型。

工程數字模型包含著幾何結構、材料、熱、力學等屬性，是對應于特定設計目標的工程模型。對于空間光學相機，可以創建的工程數字模型，如圖1所示，包括：相機結構裝配體與部件之間的裝配關系；結構部件的材料屬性；相機結構分析網格的控制規則；運載器和空間環境熱、力學條件施加的對象；分析結果輸出的對象等。工程數字模型和物理模型之間利用標簽技術［1］進行聯系，標簽信息包含所有上述工程數字模型涵蓋的內容。

圖1 空間相機集成分析［4-6］的工程數字模型Fig.1 Engineering model of space camera based on integrated analysis

2.2 流程模板——各學科專業分析協同的實現途徑

空間相機集成分析涉及光、機、結構、熱等多學科，每個專業學科CAE 工具運行在各自的軟件環境下，數據傳遞要靠轉換中性格式甚至是手工換算［4-6，9］，集成度差。

隨著項目的推進，設計和分析工作需要在學科間跨專業進行。各單學科領域設計師需要一個公共開放的環境，在此環境內不同學科的CAE 分析數據能夠無障礙地在不同專業CAE 工具間傳輸，同時各學科的分析設置及結果能夠被及時有效地查閱，流程模板能夠很好地提供這一環境。CAE 分析領域流程模板的概念早在20世紀60年代就已被提出［1］，然而協同設計和分析流程模板卻有著鮮明的特點：它是由分析任務和數據流組成的。分析任務直接面向工程數字模型，各學科不同分析任務在模板后臺調用和執行相應的CAE 分析工具，并將分析結果送回流程模板；送回的結果數據通過數據流在流程模板上不同分析任務間無障礙傳輸，數據流定義了分析數據在流程模板上的各分析任務節點間的流動關系，即從上一個分析任務節點的輸出連接到下一個任務節點的輸入。

圖2展示了針對空間相機集成分析建立的流程模板。流程模板以相機的CAD 模型為輸入，經過熱分析任務、映射分析任務、結構分析任務、轉換分析任務和光學分析任務等，某一分析任務的分析結果通過數據流以數據輸入或輸出的形式傳輸到下一個分析任務，最終得到光學指標的輸出。

圖2 基于分析任務和數據流的空間相機集成分析流程模板Fig.2 Process template of space camera integrated analysis based on task and data flow

值得注意的是，流程輸入的CAD 模型通過標簽技術與工程數字模型相關聯，當CAD 模型輸入流程后，流程模板內熱、結構、光學等各分析任務通過識別工程數字模型，可以自動找到其所有需要的設置，并根據設置自行啟動分析求解。整個分析過程的數據和結果在同一個環境傳輸和顯示，各學科間數據傳遞無需中性格式轉換，高效、集成且不易產生錯誤。即便是CAD 模型發生更變，其關聯的工程數字模型并沒有改變，更變后的CAD 模型投入流程模板后，各分析任務同樣可以自行分析求解。

這種面向工程數字模型的，通過分析任務后臺調用執行CAE 分析工具、并能夠實現分析結果數據無障礙傳遞的流程模板，便是各學科專業設計和分析的協同方法。考慮到空間相機設計的復雜性，以及集成分析學科的綜合性，協同設計和分析方法便于構建基于項目的設計與性能分析平臺。

3 空間相機的協同設計和分析

本節將以某空間相機的光-機-熱集成分析［4-6］為例，展示協同方法對相機方案的快速性能評價。

按照光機熱集成分析的順序，第一步是熱分析和結構分析，它們都是讀入各自分析所需要的CAD模型，通過熱和結構CAE 分析工具得到環境載荷下光學分析需要的物理場；然后通過光學CAE 分析工具將物理場耦合到原始光學系統，得到環境載荷對光學系統性能的影響［10］，即完成分析。

下面將介紹具體的實施過程。

3.1 空間相機的結構與工程數字模型

采用協同設計和分析方法，空間相機方案的結構設計如圖3所示，必須與分析所需要的工程數字模型相關聯，以能夠直接參與CAE分析流程模板。

圖3 某空間相機方案的結構設計Fig.3 CAD model of a space camera

工程數字模型對應相機光機熱集成分析所涉及的CAE屬性，包括熱分析工程數字模型和結構分析工程數字模型。熱分析工程數字模型涵蓋了熱分析過程所需的CAE 屬性［11］，主要指光機結構材料的熱學屬性、多層屬性、加熱片功率、加熱區域以及內部熱源功耗等的工程數字模型。結構分析工程數字模型涵蓋了結構分析過程所用的CAE屬性［3］，包括光機結構材料的力學屬性、光機結構組件間的相互作用關系、邊界約束區域等的工程數字模型。

之后利用標簽技術將定義好的工程數字模型與相機方案的設計結構相關聯。

3.2 協同環境光-機-熱集成分析

與上述結構設計和工程數字模型定義并行開展的，是空間相機性能評價的協同分析環境的創建，即光機熱集成分析流程模板的建立。CAE 同CAD 工作的協同，打破了傳統模式下CAE 分析建模等待CAD 幾何信息的輸入，CAE 工作需要串行在CAD工作之后的羈絆，將使得仿真分析效率獲得有效的提升。

不僅如此，流程模板涵蓋光、機、熱不同學科，既將各學科的CAE 分析協同到了同一環境里，同時又將對各學科專業知識積累起來，為空間相機光機熱集成分析的快速實施奠定了基礎。

按照集成分析順序，流程模板分4 部分內容（圖4）：一是以Thermal Desktop軟件工具為核心的熱分析部分；二是將熱分析結果遞交給結構分析模型的映射分析部分；三是以Nastran軟件為核心的結構分析部分；最終是以光機數據轉換工具（SigFit）和光學分析工具（Code V）為核心的光機分析部分。

圖4 空間相機各學科協同式設計和集成分析Fig.4 Design and integrated analysis of space camera in the collaborative environment

空間相機方案的結構模型、工程數字模型及流程模板的建立和關聯后，便實現了協同設計和分析環境下的集成分析。只要將方案的設計結構幾何導入光-機-熱集成分析流程模板，驅動流程模板，就能在輸出端得到相機方案設計的性能評價。協同設計和分析方法的評價結果是依據調制傳遞函數（MTF）、點擴散函數等光學指標，它們是環境載荷對空間相機光學系統影響的最終評價。

圖4同樣展示了流程模板運行完成后，得到的相機設計方案的有限元分析網格、CAE 分析得到的熱學溫度場、結構位移場以及調制傳遞函數、點擴散函數等光學指標結果。

從以上設計和分析過程可以看到，協同方法將結構設計與性能分析，以及各專業的分析集成在同一流程模板下，實現了空間相機系統級各學科指標的實時掌控。

4 協同設計和分析的優勢

協同設計和分析技術帶來的便利和效率，實現了設計過程中空間相機技術指標的實時掌控。首先，CAE分析構建與CAD 模型創建協同開展，打破了傳統模式下CAE 工作必須串行在CAD 工作之后的羈絆；同時，各學科的性能分析結果數據能夠在流程模板內無障礙地傳輸，避免了大量反復的手工數據轉換；當相機方案的結構需要變更時，由于變更后的結構與已建立的工程數字模型之間的標簽關聯依然保留，所以只要將變更后的結構導入系統，便可直接重新運行流程模板，快速獲取變更方案的指標性能。

表1給出了采用協同設計和分析方法與傳統方法的效率對比。可以看到，在CAD 與CAE 間的協同設計中，對空間相機工程數字模型CAE 屬性的定義，以及工程數字模型與相機結構CAD 間的標簽關聯只需要進行一次。在不同學科CAE 間的協同設計中，對空間相機光機熱集成分析流程模板的創建和調試只需要進行一次，并且可以是同結構幾何模型和工程數字模型的創建并行開展的。

表1 協同設計分析方法與傳統方法效率對比Table 1 Efficience companison between STOP and traditional method

更為顯著的，利用協同設計和分析方法使得空間相機研制過程中的工作效率提升了一倍，這樣可以在節省的時間內，對空間相機的設計進行多次修改并對空間環境的影響進行重分析，使得產品研制質量和效率的提高、項目研制周期的縮短成為可能。

5 結束語

協同設計和集成分析方法實現了空間相機項目實施過程中常用CAD／CAE 工具的集成，便于構建基于項目的數據交流平臺。本文對實現這一協同方法的途徑、工程數字模型和流程模板，進行了較為詳細的介紹。然后以某空間相機方案的結構設計和性能分析為例，展示了采用這一方法進行分析的過程。結果表明協同設計和集成分析能夠有效避免學科間數據交互的壁壘，并快速評價環境載荷、設計變更等因素對空間相機光學性能的影響，它是提高空間相機設計和分析效率的有效途徑，同時也為開展基于仿真的空間相機優化設計提供了一條有效途徑。

隨著我國空間相機項目任務的增多，協同設計和分析方法集成、高效的優勢將進一步體現，這是協同設計分析所面臨的機遇。然而協同設計和分析概念的理解和使用，以及協同環境集成能力的提升和改善還需要做大量踏實細致的工作；此外，協同優勢在未來項目中的發揮還需要科學的項目管理制度，以及各學科領域設計師集體的智慧和勞動。希望本文能起到拋磚引玉的作用。

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