航天器桁架結構快速設計方法研究論文
引言
桁架具有凈空間值高、受運載包絡(luò )限制少等優(yōu)點(diǎn)，多為高次超靜定結構且剛度和整體性較好，因而越來(lái)越多地作為主承力結構應用到航天器結構中，且其結構形式呈現大型化、復雜化的發(fā)展趨勢。
當前，隨著(zhù)航天事業(yè)的快速發(fā)展，航天器結構設計面臨著(zhù)‘‘設計約束多樣、迭代更新頻繁、周期控制困難”的局面。而在傳統設計模式下，桁架設計不僅需經(jīng)過(guò)概念設計、詳細設計等多個(gè)階段迭代，設計工作量大且周期冗長(cháng)m。同時(shí)，由于參照關(guān)系和裝配關(guān)系復雜多樣，常出現桁架結構基礎數據修改而導致模型再生失敗的現象,大大影響了設計效率，無(wú)法滿(mǎn)足“快速響應設計約束、迭代更新高效”的需求。因此，亟需采用新的技術(shù)方法來(lái)提升桁架結構設計效率，促進(jìn)桁架結構的應用和發(fā)展。
本文針對傳統桁架結構設計的弊端，基于自頂向下(Top-)own)模式和參照柔性相關(guān)思想，提出了航天器桁架結構快速設計方法。實(shí)際應用驗證表明,航天器桁架結構快速設計方法邏輯關(guān)系明確，簡(jiǎn)便實(shí)用,能夠實(shí)現結構元件自動(dòng)創(chuàng )建和裝配，快速響應外部約束并自適應更新，確保設計狀態(tài)的迭代有效可控，能顯著(zhù)提升桁架結構設計效率，可推廣應用于航天器桁架結構設計。
1航天器桁架結構快速設計基本原理
相對而言,桁架構型復雜、部件繁多、連接關(guān)系多樣，如何實(shí)現管控構型、自動(dòng)創(chuàng )建部件、快速裝配是桁架設計的關(guān)鍵，而基于Top-)own模式,運用參照柔性相關(guān)的裝配方法和多級骨架模型能夠有效解決這些問(wèn)題，實(shí)現桁架結構的快速設計和更新。
1.1基于Top-Down模式的桁架結構設計
Top-)own模式要求先進(jìn)行系統全局設計,使全局設計能夠初步滿(mǎn)足設計約束要求，而后才在全局設計的框架下進(jìn)行詳細設計，其本質(zhì)上是設計數據從系統頂部傳遞到底端的過(guò)程。這種模式符合漸進(jìn)設計過(guò)程和人員思維方式,且因自上而下的信息傳遞可以有效地適應外部需求變化而進(jìn)行結構設計重構，極大地便利了設計狀態(tài)的迭代和更新。
Pro/E軟件提供了多種形式的數據傳遞方法實(shí)現Top-Down模式設計,骨架模型是其中較為常用的一種。骨架模型通常由基準面、基準線(xiàn)、基準坐標系和外形曲面組成，能夠直觀(guān)地表達空間包絡(luò )約束和與設計有關(guān)的特征。通過(guò)骨架模型，一方面在設計初期就能夠確定設計意圖,定義初步的產(chǎn)品結構，另一方面可利用骨架模型傳遞信息的能力,將設計意圖傳遞貫穿系統設計的全過(guò)程，便于自上而下的參數化設計變更[2。
對于航天器桁架結構而言，運用自頂向下設計模式，建立桁架系統自上而下的骨架模型,利用骨架模型作為信息傳遞載體,在概念設計階段通過(guò)對總體布局、外部參照等進(jìn)行抽象和空間幾何構建，將產(chǎn)品的功能規劃轉化為產(chǎn)品設計需求,反映產(chǎn)品的空間布局、拓撲關(guān)系等&],進(jìn)而使產(chǎn)品設計趨于清晰，便于設計模型的確立；其次，基于自頂向下的信息傳遞和繼承，設計意圖和約束能夠充分貫穿整個(gè)系統，輔以骨架模型驅動(dòng)的產(chǎn)品參數化設計和變更，既能夠非常方便地通過(guò)對上層基本骨架的調整來(lái)實(shí)現對下層設計的調整和修改，又不會(huì )影響到整個(gè)產(chǎn)品的裝配關(guān)系，降低了設計模型迭代更新失敗的風(fēng)險。
1.2參照柔性相關(guān)
雖然基于自頂向下模式采用骨架模型進(jìn)行數據信息傳遞，能夠便捷地傳遞和繼承約束信息，加強系統控制能力，但在詳細設計過(guò)程中，仍存在著(zhù)一個(gè)不容回避的事實(shí)，即基于Top-Down模式的設計將在設計模型中引入復雜直接參照關(guān)系，一旦出現元件替換、增刪等情況，原有參照關(guān)系中的某一參照源就可能丟失,進(jìn)而使設計狀態(tài)失控，引發(fā)一系列問(wèn)題。
為了確保設計狀態(tài)有效可控，需要在自頂向下的設計過(guò)程中對各個(gè)層級參照源和參照關(guān)系進(jìn)行歸并和統一，避免形成復雜參考關(guān)系，保證設計狀態(tài)的獨立性和參照關(guān)系傳遞的準確性。
從Pro/E軟件的設計思想上來(lái)看，參照是Pro/E全參數化建模的靈魂，其本質(zhì)是特征或組件的定位標識，系統根據這些標識構件特征或定位組件�；趨⒄盏谋举|(zhì)，運用“參照柔性相關(guān)”的設計思想，在數據信息傳遞過(guò)程中，從骨架模型外部添加與骨架模型中參照源柔性相關(guān)的新參照源并進(jìn)行傳遞。通過(guò)骨架模型和柔性參照兩者的結合，不僅能夠對設計模型的參照源進(jìn)行歸并和統一，簡(jiǎn)化內部參照關(guān)系，還能借助全面統一的基礎參照，發(fā)揮骨架模型對設計狀態(tài)的控制，確保設計狀態(tài)的獨立性,減少設計再生失敗的現象。
2航天器桁架結構快速設計方法
按照Top-Down模式,航天器桁架結構的設計過(guò)程分為結構全局設計、多級骨架模型創(chuàng )建、部件自動(dòng)創(chuàng )建與裝配設計3個(gè)環(huán)節。
2.1結構全局設計
航天器桁架結構的裝配層級通常為“系統-艙段-部件”�；赥op-Down模式的結構全局設計主要針對系統和艙段進(jìn)行,是確定桁架包絡(luò )空間、構型的關(guān)鍵步驟。典型的結構全局設計流程如圖1所示。
結構全局設計主要包括：
1)設計約束導入。全局設計的約束主要有外部參照、總體布局等，通常以基準坐標系、基準線(xiàn)、基準面和空間幾何等形式反映到全局設計中。這些約束信息不僅表征結構構型的布局包絡(luò )、設計空間等信息，還將作為系統頂級約束,在必要的時(shí)候向下級傳遞。
2)拓撲關(guān)系構造。在設計約束已知的前提下，通過(guò)對系統裝配層級的分解和子級包絡(luò )約束等，定義系統拓撲關(guān)系的構造，獲取系統裝配層級和子級包絡(luò )以及基本元件的空間分布。
3)提取基礎數據描述。根據系統的拓撲關(guān)系，提取桁架接頭元件中心點(diǎn)，運用柔性參照相關(guān)的方法,基于基準坐標系對中心點(diǎn)進(jìn)行一致性描述，使其獲取柔性參照關(guān)系,形成結構空間構造的基礎數據描述，為后續骨架模型和部件創(chuàng )建與裝配等提供基礎參照。
2.2多級骨架模型創(chuàng )建
結構全局設計獲取了桁架結構拓撲關(guān)系和空間構造的`基礎數據描述，而據此進(jìn)行的多級骨架模型創(chuàng )建則是將全局設計由模糊概念向清晰構型轉化的關(guān)鍵步驟。
在通常情況下，結構元件作為系統的基本單元不需要布局骨架模型，骨架模型只需布局于系統和艙段級。因此，桁架結構多級骨架模型創(chuàng )建主要包含系統級骨架模型創(chuàng )建和艙段級骨架模型創(chuàng )建2個(gè)方面。
1)系統級：創(chuàng )建結構系統骨架模型，定義系統的縱、橫向骨架模型。在系統級，主要圍繞系統拓撲關(guān)系開(kāi)展骨架模型創(chuàng )建。為保證系統級骨架對系統模型具有足夠的控制能力，需在統一空間描述的基礎上，依據自頂向下的思路和結構拓撲關(guān)系，對子級骨架包絡(luò )進(jìn)行分解和歸并，形成清晰明確的子級骨架連接關(guān)系和界面。
2)艙段級：繼承系統骨架模型，創(chuàng )建艙段級骨架模型。在艙段級，主要圍繞子級拓撲關(guān)系開(kāi)展骨架模型創(chuàng )建�；谌衷O計階段形成的基礎數據描述和對系統級骨架模型充分的繼承，利用基礎數據描述和基準面、空間曲線(xiàn)等元素,創(chuàng )建艙段級結構骨架模型。在艙段級骨架創(chuàng )建過(guò)程中，依據中心點(diǎn)基礎參照,運用柔性參照相關(guān)的方法，通過(guò)參數化的接頭桿件偏離關(guān)系,標定桿件裝配局部坐標系，確保自上而下的骨架模型信息傳導的正確性和控制能力，為后續部件創(chuàng )建和裝配設計提供了統一參照。典型的桁架結構多級骨架模型創(chuàng )建如圖2所示。
2.3部件設計與裝配設計
通過(guò)創(chuàng )建多級結構骨架模型，形成了具有足夠控制能力的多級骨架模型，使桁架構型逐步清晰�；诖�，只需利用骨架模型的信息，即可完成部件自動(dòng)創(chuàng )建和裝配設計，實(shí)現桁架結構的實(shí)體化充實(shí)。
2.3.1桁架桿件和桁架接頭設計
由于艙段級骨架模型固化了桁架桿件的空間信息，因而需要充分利用艙段級骨架標定的空間位置信息，通過(guò)預置桿件模板，設計并創(chuàng )建骨架模型中特定曲線(xiàn)處的結構桿件。
在中心點(diǎn)基礎數據描述的基礎上，結合桿件與中心點(diǎn)之間的柔性參照關(guān)系以及骨架模型中定義的延伸方向，復制并向接頭設計空間映射桿件幾何截面信息,通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)體特征操作，即可以全自適應的方式快速設計和創(chuàng )建桁架接頭。
2.3.2裝配設計
避免過(guò)于復雜冗長(cháng)的參照裝配關(guān)系，是實(shí)現桁架結構快速迭代更新的重要保證。為確保桁架結構元件參照裝配關(guān)系緊湊，充分利用自上而下的骨架對結構元件的有效控制，借助于多級骨架模型和柔性參照關(guān)系,采用統一參照、坐標系裝配的形式,使得元件在設計前已經(jīng)具有配合關(guān)系。創(chuàng )建及裝配都在裝配關(guān)系中進(jìn)行，元件之間擁有共同的基礎參照和一致的骨架模型，可有效地避免設計再生失敗。與此同時(shí)，由于骨架模型間接的表征結構元件之間的裝配關(guān)系，因而在完成結構設計后，可以通過(guò)可變參數的調整，非常方便地引起結構元件的適應性調整，極大地便利了結構三維設計。
3航天器桁架結構快速設計應用
為簡(jiǎn)化行文,本文以單一裝配層級的桁架結構為例，闡述桁架快速設計方法的應用。
3.1桁架結構的全局設計
在桁架結構全局設計階段,依次進(jìn)行設計約束導入、拓撲關(guān)系構造、基礎數據描述提取等步驟。
1)根據運載包絡(luò )、布局需求等，抽象結構設計的外部約束,形成桁架結構統一的基礎參照等；
2)在設計空間內進(jìn)行結構拓撲關(guān)系構造,獲取系統裝配層級和桁架接頭桿件的空間分布；
3)基于統一的基礎參照，提取桁架接頭中心點(diǎn)并進(jìn)行一致性描述，使中心點(diǎn)獲得局部參照基準。
結構全局設計最終形成的是桁架空間構造的基礎數據描述，主要包括基礎參照、中心點(diǎn)空間位置和一致性描述局部參照基準等，具體如圖3所示。
3.2桁架結構多級骨架模型創(chuàng )建
根據全局設計獲得的桁架結構基礎數據描述，利用曲線(xiàn)將中心點(diǎn)首尾連接形成空間曲線(xiàn)，代表桁架桿件空間位置。逐一連接各中心點(diǎn)，直至生成結構骨架模型。結構骨架模型包含基準坐標系、基礎參照、桁架基礎數據描述和空間曲線(xiàn)等。典型的結構骨架模型如圖4所示。
為了確保自上而下的骨架模型信息傳導的正確性和控制能力，將中心點(diǎn)作為部件的柔性裝配參照，創(chuàng )建結構桿件裝配局部坐標系（如圖5所示），設置該局部坐標系與接頭中心點(diǎn)局部坐標系之間的偏離關(guān)系。
3.3接頭桿件自適應創(chuàng )建與裝配設計
在前述結構骨架模型的基礎上，根據結構桿件裝配局部坐標系標定的空間位置，選擇桿件模板并創(chuàng )建骨架曲線(xiàn)處的結構桿件，復制并向接頭設計空間映射桿件截面幾何，形成接頭各通幾何截面,根據桿件裝配局部坐標系與接頭中心點(diǎn)局部坐標系之間的偏離關(guān)系，以全自適應的方式創(chuàng )建生成桁架接頭。桿件、接頭創(chuàng )建如圖6所示。
借助于多層次骨架模型和柔性參照關(guān)系，采用缺省坐標系對齊裝配等形式，使得部件之間擁有共同的參照基準和骨架模型，可以有效地避免結構設計再生失敗，能保證骨架模型對桁架結構的有效控制。桁架結構設計完成后，僅調整骨架模型的可變參數，即可引起結構桿件和接頭的適應性調整。典型桁架結構的創(chuàng )建與裝配如圖7所示。
4結束語(yǔ)
針對傳統結構設計模式與當前航天器桁架結構快速設計需求的差距，本文基于Top-)own模式和參照柔性相關(guān)思想,提出了航天器桁架結構的快速設計方法。實(shí)際應用驗證表明：基于Top-Down設計模式,采用多級骨架模型和參照柔性相關(guān)的桁架結構設計方法，具有邏輯關(guān)系明確，簡(jiǎn)便實(shí)用等特點(diǎn)，能夠實(shí)現部件自動(dòng)創(chuàng )建和裝配，加快結構設計對外部約束的響應，能確保設計狀態(tài)的自適應更新有效可控，顯著(zhù)提升航天器桁架結構設計效率，可推廣應用于航天器桁架結構設計。
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