MBSE在活動發(fā)射平臺支承臂設計中的應用實踐

楊 鋒,王 南,盧官凱,姚博丹

(北京航天發(fā)射技術研究所，北京 100076)

0 引言

運載火箭活動發(fā)射平臺主要實現(xiàn)對火箭箭體及有效載荷的支撐、調平以及轉場運輸?shù)裙δ埽膳_體、臍帶塔、支承臂、防風裝置等子系統(tǒng)組成，其結構復雜、涉及專業(yè)多、集成化程度高，是典型的復雜系統(tǒng)工程。

在傳統(tǒng)的設計過程中，主要采用基于文檔的系統(tǒng)工程(Text-Based System Engineering,TSE)方式，系統(tǒng)架構模型由自然語言表示的文檔構成[1]，已形成了相對穩(wěn)定的研制設計流程，但在數(shù)據(jù)傳遞和迭代過程中不易保持一致，溝通交流和協(xié)同設計的難度大；隨著活動發(fā)射平臺集成功能越來越強大，技術越來越復雜，跨學科及多專業(yè)協(xié)同要求越來越高，傳統(tǒng)的系統(tǒng)設計方式已不能滿足新的研制需求。

基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based System Engineering, MBSE)方法使用統(tǒng)建模語言(System Modeling Language, SysML)來描述系統(tǒng)架構，是系統(tǒng)工程領域的一種基于模型表達和驅動的方法[2-5]，通過對系統(tǒng)的底層元素進行面向對象的、圖形化的表示，從而逐步構建系統(tǒng)的其他模型；通過對系統(tǒng)進行多層次分解，建立各模型信息間的聯(lián)系，形成自動關聯(lián)可追溯的系統(tǒng)模型，能夠有效地解決信息追溯與一致性保證的問題，實現(xiàn)系統(tǒng)需求和功能邏輯的確認和驗證，并驅動產品設計、仿真、測試、綜合、驗證與確認環(huán)節(jié)，提升產品全生命周期的協(xié)同設計效率。近年來，MBSE理論在航天器設計中得到成熟應用[6-11]。

本文將基于MBSE的正向設計方法應用到活動發(fā)射平臺支承臂方案論證和詳細設計過程中，并側重不同系統(tǒng)/工具間數(shù)據(jù)的集成和關聯(lián)層面探索技術可行性；從頂層對活動發(fā)射平臺系統(tǒng)級的任務進行分析，將系統(tǒng)建模框架和活動發(fā)射平臺總體設計方法相結合，利用MagicDraw、Mworks、NX、Ansys、Teamcenter等工具/系統(tǒng)，實現(xiàn)了需求分析、方案論證和產品設計等階段數(shù)據(jù)關聯(lián)和映射。

1 基于MBSE的正向設計系統(tǒng)框架

基于MBSE的正向設計框架由方案設計、產品設計、協(xié)同設計3部分組成，如圖1所示。在方案設計階段，主要通過MagicDraw完成系統(tǒng)建模，通過Mworks完成物理建模，從頂層對活動發(fā)射平臺的需求進行分類，轉化為功能和約束，進一步對狀態(tài)、活動、流程進行分析，并通過創(chuàng)建模塊定義圖指定系統(tǒng)的邏輯組成部分和各模塊間交互所需的接口，通過建立系統(tǒng)的邏輯架構，明確各個子系統(tǒng)之間的接口；通過Mworks進行物理建模分析，基于Modelica語言創(chuàng)建機、電、液多學科聯(lián)合仿真模型，并通過FMI的形式與系統(tǒng)模型進行集成和交互。在產品設計階段，主要利用NX、Ansys完成產品三維結構設計和有限元仿真分析。

圖1 基于MBSE的正向設計系統(tǒng)框架圖Fig.1 Forward design system frame based on MBSE

本文通過配置集成接口實現(xiàn)系統(tǒng)模型、物理模型、設計模型、仿真模型與協(xié)同平臺Teamcenter的集成，在Teamcenter中創(chuàng)建需求BOM(RBOM)、設計BOM(EBOM)、仿真BOM(SBOM)，實現(xiàn)功能、性能參數(shù)的關聯(lián)和映射，實現(xiàn)方案設計和產品設計協(xié)同。

1.1 方案設計建模

MagicDraw系統(tǒng)建模框架的4個支柱為需求、行為、結構、參數(shù)[12]，分別對應系統(tǒng)工程的需求模型→功能模型→邏輯模型→物理模型，形成規(guī)范化的建模流程，如圖2所示。

MagicDraw建模環(huán)境提供建模、分析和仿真功能，包括完整的SysML實施標準，配置文件、各類SysML圖等。

Mworks是新一代多領域工程系統(tǒng)建模、仿真、分析系統(tǒng)，基于Modelica語言建立基于模型的數(shù)學自動演繹體系，以端到端的模式實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)學體系的自動建立[13-14]。采用面向對象的結構化數(shù)學建模形式構建類、繼承、方程、組件、連接器和連接，實現(xiàn)能量流、質量流、信息流端口連接，實現(xiàn)不同物理領域模型的無縫集成。如圖3所示。

圖2 MagicDraw系統(tǒng)建模框架Fig.2 Magicdraw system modeling framework

圖3 Mworks物理建模框架Fig.3 Mworks physical modeling framework

1.2 產品設計建模

完成系統(tǒng)方案建模與閉環(huán)驗證工作之后，開展子系統(tǒng)詳細設計。在系統(tǒng)方案設計建模階段側重的是系統(tǒng)的功能分析與邏輯設計，而在詳細設計階段是基于邏輯層確定的最終系統(tǒng)設計方案進行各專業(yè)產品的詳細設計工作。通過三維幾何模型描述產品的設計信息；通過零部件之間的結構關聯(lián)關系體現(xiàn)系統(tǒng)設計的相關信息；在仿真設計軟件中對系統(tǒng)中涉及的機械部件、電子部件、軟件等不同學科進行仿真及優(yōu)化設計，并將仿真結果反饋到系統(tǒng)模型中，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的自動仿真驗證，并根據(jù)仿真結果對系統(tǒng)設計模型進行優(yōu)化，如圖4所示。

1.3 協(xié)同設計

本項目通過Teamcenter實現(xiàn)與MagicDraw、NX、Ansys等工具/系統(tǒng)的集成。通過定制數(shù)據(jù)映射接口，雙向同步需求、功能、參數(shù)數(shù)據(jù)，由MagicDraw導出系統(tǒng)結構化參數(shù)，將模型元素導入Teamcenter作為原始物料清單(BOM)。通過接口配置集成實現(xiàn)在Teamcenter系統(tǒng)中查看和刪除追蹤參數(shù)信息，實現(xiàn)在MagicDraw工具中關聯(lián)產品詳細設計信息。

2 活動發(fā)射平臺支承臂設計實例

2.1 活動發(fā)射平臺支承臂設計流程

支承臂是活動發(fā)射平臺分系統(tǒng)，支承臂用于支撐、調平加注前后的火箭箭體，并具備自動調平功能。本文重點圍繞實現(xiàn)支承臂的結構強度安全系數(shù)不小于2，總質量不大于1 800 t，對加注前后的發(fā)射體進行垂直度調整，偏差不大于30′等主要參數(shù)進行正向設計，實現(xiàn)技術指標的跟蹤和閉環(huán)驗證。活動發(fā)射平臺支承臂設計流程如圖5所示。

圖4 產品設計與方案設計數(shù)據(jù)關聯(lián)Fig.4 Product design and scheme design data association

圖5 基于MBSE的活動發(fā)射平臺支承臂設計流程Fig.5 Design flow of supporting arm of movable launch platform based on MBSE

2.2 活動發(fā)射平臺系統(tǒng)建模

2.2.1 需求建模

通過創(chuàng)建需求模型“model”和需求表“Requirement Table”，將型號總體下發(fā)的word格式的總體設計任務書轉換為excel格式，導入系統(tǒng)中，如表1示例。

表1 活動發(fā)射平臺總體要求

按規(guī)則對需求進行編號，根據(jù)需求性質對需求進行轉化、分類，包括物理類需求(Physical Requirement)、功能類需求(Functional Requirement)、性能類需求(Performance Requirement)、約束類需求(Design Constraint)、接口類需求(Interface Re-quirement)等，需求示意圖如圖6所示。本文將質量指定為物理需求、垂直度為功能需求，承載安全為性能需求。

圖6 活動發(fā)射平臺需求建模Fig.6 Requirement modeling of movable launch platform

2.2.2 功能與邏輯建模型

通過用例圖(Used Case Diagram)創(chuàng)建用例并進行相關性分析，建立系統(tǒng)功能模型和邏輯模型，與活動發(fā)射平臺相關的系統(tǒng)包括箭體、發(fā)射場控制中心、地面加注供氣系統(tǒng)等，通過活動圖(Activity Diagram)展示系統(tǒng)動作場景、業(yè)務流程等。創(chuàng)建泳道圖(Swimlane)對活動按系統(tǒng)及外部參與者進行分類，如圖7所示。

圖7 活動發(fā)射平臺邏輯建模Fig.7 Logical modeling of movable launch platform

根據(jù)確定的活動圖進一步分析活動發(fā)射平臺與相關系統(tǒng)的交互信息(signal)，分配對象流，指定數(shù)據(jù)流方向、屬性、數(shù)據(jù)格式等，明確與外部系統(tǒng)(箭體、操作員、控制中心等)的輸入、輸出、數(shù)據(jù)接口。如圖8所示。

根據(jù)活動發(fā)射平臺系統(tǒng)輸入輸出接口，分析活動發(fā)射平臺內部子系統(tǒng)功能模塊，包括擺桿系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、支承臂、轉換裝置、臺板、驅動控制系統(tǒng)等，分析各子系統(tǒng)之間的接口及數(shù)據(jù)流向，創(chuàng)建“Blackbox ICD Table”表，如圖9所示。

圖8 活動發(fā)射平臺與外部系統(tǒng)交互接口Fig.8 Interactive interface of movable launch platform and external system

圖9 活動發(fā)射平臺內部子系統(tǒng)接口及數(shù)據(jù)流Fig.9 Internal subsystem interface and data flow of movable launch platform subsystem

2.2.3 參數(shù)建模(MoEs)

在MoEs模型及模塊基礎上，創(chuàng)建值屬性并指定類型“Value Property”，包括“total_mass”“safety factory”等。垂直度通過Mworks建模驗證，如圖10所示。

2.2.4 活動發(fā)射平臺系統(tǒng)模型閉環(huán)驗證

完成需求建模、邏輯建模、參數(shù)建模后，通過系統(tǒng)仿真驗證需求滿足情況，并生成各分系統(tǒng)指標，各項指標滿足任務書要求“Satisfy”，如圖11所示。

2.3 支承臂子系統(tǒng)建模

2.3.1 支承臂需求、功能、邏輯、參數(shù)建模與分析

支承臂分析與建模過程同上，進一步分解為質量設計要求、承載要求、垂直度調整要求、調整范圍等。支承臂質量通過對各子系統(tǒng)進行分析、分解得到，且能關聯(lián)和追溯。

圖10 活動發(fā)射平臺關鍵參數(shù)建模Fig.10 Key parameter modeling of movable launch platform

圖11 活動發(fā)射平臺需求閉環(huán)Fig.11 Requirement closed-loop of movable launch platform

2.3.2 物理建模

通過Mworks工具搭建支承臂液壓控制模型，驗證液壓系統(tǒng)模型和控制策略是否滿足垂直度要求，生成垂直度仿真模型單元FMU，通過FMI接口導入MagicDraw，與支承臂參數(shù)模型集成，完成功能仿真驗證，如圖12和13所示。

2.4 MagicDraw與Teamcenter集成

在Teamcenter協(xié)同平臺中創(chuàng)建支承臂零組件Item，選擇版本“Item Revision”導入“支承臂子系統(tǒng)”，通過“值屬性配置”(Value Properties Configuration)建立Teamcenter與MagicDraw的“mass、safety_factory”等參數(shù)映射、關聯(lián)，如圖14所示。

2.5 支承臂結構設計與仿真

1)基于NX開展支承臂三維結構設計(選擇材料Iron_40，質量為1 854.50 kg)，數(shù)據(jù)直接存儲在Teamcenter中,如圖15所示。

圖12 基于Mworks支承臂物理建模Fig.12 Supporting arm physical modeling based on Mworks

圖13 支承臂參數(shù)模型Fig.13 Supporting arm parameter model

圖14 MagicDraw與Teamcenter集成Fig.14 Integration of MagicDraw and Teamcenter

2)在“CAE管理器”中創(chuàng)建SBOM，執(zhí)行數(shù)據(jù)映射，在進行仿真時，前處理工具選擇NX Nastr-an，求解器選擇Ansys，設置約束后進行應力分析，仿真結果直接保存在Teamcenter中，如圖16所示。

圖15 支承臂結構建模Fig.15 Structural modeling of supporting arm

圖16 支承臂有限元分析Fig.16 Finite element analysis modeling of supporting arm

2.6 閉環(huán)驗證

在MagicDraw中實現(xiàn)設計、仿真結果與參數(shù)模型同步，并進行閉環(huán)仿真驗證，如圖17所示。

圖17 仿真結果與參數(shù)模型同步Fig.17 Synchronization of simulation results with parameter model

3 結論

本文在某型號活動發(fā)射平臺支承臂設計中引入MBSE方法，通過MagicDraw進行需求分析和架構設計、通過Mworks進行多學科建模，通過NX、Ansys進行三維設計和仿真，并通過與Teamcenter協(xié)同平臺集成，實現(xiàn)了從方案設計到詳細設計關鍵參數(shù)的閉環(huán)驗證，提高任務參數(shù)指標的一致性和可追溯性，為活動發(fā)射平臺和其他航天產品設計提供了指導和借鑒。