曹志松 ，劉紹然，裴一飛

（1. 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所：北京 100094）

0 引言

衛(wèi)星虛擬熱試驗(yàn)技術(shù)是指在虛擬熱試驗(yàn)平臺(tái)所構(gòu)建的虛擬熱試驗(yàn)環(huán)境中，利用建立的衛(wèi)星熱物理數(shù)字模型開展試驗(yàn)研究，獲得衛(wèi)星隨時(shí)間和外熱流而變化的溫度場分布[1]，以驗(yàn)證衛(wèi)星的熱設(shè)計(jì)；另外通過試驗(yàn)得到的能夠反映衛(wèi)星溫度場的特性參數(shù)，對衛(wèi)星的熱物理數(shù)字模型進(jìn)行修正。為了達(dá)到這個(gè)目的，國內(nèi)外都在開展衛(wèi)星虛擬熱試驗(yàn)技術(shù)研究。

目前國外已有一些和虛擬熱試驗(yàn)平臺(tái)相似的軟件，但都不具備完整獨(dú)立的建模模塊。例如NEVADA[2]軟件在建立模型時(shí)要通過用戶輸入一些固定格式的文本來實(shí)現(xiàn)，使用起來很不方便；而Thermal Desktop軟件建模時(shí)則要通過與AutoCAD耦合來實(shí)現(xiàn)，同樣會(huì)受到很多制約。

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所也開展了衛(wèi)星虛擬熱試驗(yàn)技術(shù)研究，自主研發(fā)了衛(wèi)星虛擬熱試驗(yàn)平臺(tái)。它由多個(gè)相對獨(dú)立的功能模塊構(gòu)成，各個(gè)模塊之間不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,數(shù)據(jù)傳輸需要借助數(shù)據(jù)庫進(jìn)行，即各模塊從數(shù)據(jù)庫檢索并確認(rèn)源數(shù)據(jù)，然后讀取源數(shù)據(jù)并完成特定的任務(wù)計(jì)算，計(jì)算后只需要將計(jì)算結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的位置。由于熱試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，包含熱沉、紅外加熱裝置、支架等，加熱條帶的數(shù)量多達(dá)數(shù)千根，同時(shí)會(huì)有各種位置的開孔。本文開發(fā)的建模工具具有很強(qiáng)的功能，可以根據(jù)紅外籠的框架形狀、條帶間距以及用戶輸入的其他參數(shù)自動(dòng)的生成紅外籠模型；還可以用于基于紅外燈陣的加熱籠模型建立，具有模型結(jié)構(gòu)的調(diào)整功能。此外，本衛(wèi)星虛擬熱試驗(yàn)平臺(tái)建模工具在三維建模時(shí)是一個(gè)完全的可視化過程。下面將重點(diǎn)介紹衛(wèi)星虛擬熱試驗(yàn)平臺(tái)建模工具模塊。

1 建模工具模塊

1.1 基本思路

虛擬熱試驗(yàn)平臺(tái)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先利用建模工具模塊創(chuàng)建或者從外部導(dǎo)入衛(wèi)星數(shù)字模型及試驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)字模型，并建立與測控系統(tǒng)以及衛(wèi)星的工作狀態(tài)的接口，然后利用平臺(tái)的核心求解器進(jìn)行模型數(shù)值計(jì)算，最后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

1）建模工具模塊

虛擬熱試驗(yàn)平臺(tái)的建模工具模塊包含有立方體、球體和圓柱體3種基本幾何體，通過幾何體的選取可進(jìn)行幾乎任意幾何形狀的建模；能進(jìn)行幾何體間的布爾運(yùn)算，比如聯(lián)合、交集、一減二運(yùn)算以及二減一運(yùn)算等等；還可以進(jìn)行基于數(shù)學(xué)函數(shù)的曲線、多面體、管道等建模并劃分網(wǎng)格。

圖1 虛擬熱試驗(yàn)平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Frame structure of virtual thermal test platform

如圖 2(a)為建模工具模塊所建立的管道模型示意圖，圖2(b)為管道模型及網(wǎng)格劃分。

圖2 管道模型及其網(wǎng)格Fig. 2 Pipeline model and its grids

2）虛擬熱試驗(yàn)平臺(tái)對模型的接口

虛擬熱試驗(yàn)平臺(tái)對模型的接口描述采用“整體－局部”分層對象組合策略，為表現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)提供了強(qiáng)大的功能。試驗(yàn)系統(tǒng)一般由衛(wèi)星、熱沉、紅外加熱籠、紅外燈陣以及工裝支架等組成?？梢岳梅謱訉ο蠼M合策略來組建試驗(yàn)系統(tǒng)模型，以紅外加熱籠為例：可以將紅外加熱籠的結(jié)構(gòu)分解成若干分區(qū)，針對每個(gè)分區(qū)都可以在軟件模型中表示成一個(gè)對象，再將它們組合起來形成紅外加熱籠；針對分區(qū)對象，還可以進(jìn)一步分解成子分區(qū)對象。圖3是試驗(yàn)系統(tǒng)樹型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)樹型結(jié)構(gòu)Fig. 3 Tree structure of test system

1.2 數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

從圖3看，虛擬熱試驗(yàn)平臺(tái)的模型結(jié)構(gòu)是一個(gè)遞推的分層結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)可以分解成各個(gè)子系統(tǒng)，而子系統(tǒng)還可以再進(jìn)行細(xì)分，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型是一個(gè)樹型結(jié)構(gòu)。描述這種分層結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)表有兩種方法：鄰接列表模式和預(yù)排序遍歷樹算法。下面比較兩種樹型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)：

1）鄰接列表模式

所謂鄰接列表模式（adjacency list mode）是通過給每個(gè)節(jié)點(diǎn)增加一個(gè)屬性來表示這個(gè)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)（parent ），從而將整個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)以表的形式描述出來[3]，如表1所示。

表1 紅外加熱籠分區(qū)結(jié)構(gòu)鄰接數(shù)據(jù)列表Table 1 Adjacency list of infrared cage sub-areas

如此一來，可以從根節(jié)點(diǎn)知道到任意節(jié)點(diǎn)的路徑。比如“3級子部件 1-1-1”的路徑是“試驗(yàn)系統(tǒng)>紅外加熱器>紅外加熱籠>主分區(qū) 1”。為了得到這樣的一個(gè)路徑，需要從最末級開始查詢得到它的父節(jié)點(diǎn)“紅外加熱籠”，并把它添加到路徑中；然后再查詢“紅外加熱籠”的父節(jié)點(diǎn)并把它也添加到路徑中；以此類推直到最高層的“試驗(yàn)系統(tǒng)” 。這種方法比較簡單，容易理解。但是也有缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為運(yùn)行速度很慢，由于尋找每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫查詢，在數(shù)據(jù)量大的時(shí)候，要進(jìn)行很多查詢才能完成一個(gè)樹的遍歷；另外由于要進(jìn)行遞歸運(yùn)算，遞歸的每一級都需要占用一些內(nèi)存，所以其空間利用效率也比較低。

2）預(yù)排序遍歷樹算法

預(yù)排序遍歷樹算法（modified preorder tree traversal algorithm）不需要使用遞歸計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)更加快速的遍歷。針對圖3所示的樹，首先將每層的結(jié)構(gòu)編排一個(gè)序號，如在根節(jié)點(diǎn)“試驗(yàn)系統(tǒng)“的左側(cè)標(biāo)寫序號 1；再沿著這個(gè)樹向下層搜尋，在“衛(wèi)星“的左側(cè)寫上序號 2；然后繼續(xù)前進(jìn)給每層結(jié)構(gòu)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都標(biāo)上序號?？梢詫⑦@些節(jié)點(diǎn)的序號值lft、rgt存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，如表2所示。

表2 紅外加熱籠分區(qū)結(jié)構(gòu)預(yù)排序遍歷樹算法數(shù)據(jù)表Table 2 Variables inmodified preordered tree traversal algorithm of infrared cage sub-areas

這種方法不使用遞歸查詢算法，具有更高的查詢效率。例如當(dāng)需要得到“某項(xiàng)下的所有節(jié)點(diǎn)，就可以這樣寫查詢語句：

SELECT * FROM engElement WHERE lft BETWEEN num1 AND num2 ORDER BY lft ASC；

要獲知一個(gè)節(jié)點(diǎn)的路徑比較簡單，如果想知道某節(jié)點(diǎn)的路徑，就利用它的序號左右值 num1和num2來做一個(gè)查詢，其語句為：

SELECT name FROM engElementWHERE lft num2 ORDER BY lft ASC；

某個(gè)節(jié)點(diǎn)的子孫節(jié)點(diǎn)數(shù)目計(jì)算也很簡單：子孫總數(shù)=(右值-左值-1)/2。

1.3 與其他商業(yè)軟件的接口

本建模工具模塊除了可以根據(jù)用戶需求創(chuàng)建出任意形狀的幾何體外，也提供了與 Pro/E[4]、SolidWorks等商業(yè)軟件的接口，用戶可以將這些商業(yè)軟件中的模型導(dǎo)入虛擬熱試驗(yàn)平臺(tái)中。此外，建模工具可以直接存取NEVADA軟件的文件格式，從而方便地進(jìn)行熱分析計(jì)算。

2 紅外加熱籠的建模

本軟件的建模工具與一般商業(yè)建模造型軟件最大的區(qū)別在于它的服務(wù)對象，可以很方便地進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)備模型的建立。下面將介紹利用建模工具模塊來創(chuàng)建紅外加熱籠模型。

紅外加熱籠可以劃分成許多條帶，因此其分區(qū)是由這些條帶組成。劃分的條帶數(shù)量非常多，如果由用戶來完成每根條帶的建模，則工作量非常繁重，因此系統(tǒng)為用戶提供了自動(dòng)批量生成條帶模型的工具。在用戶接口界面中，用戶首先需要輸入該分區(qū)的形狀參數(shù)（紅外加熱籠的分區(qū)形狀類型不多，主要有四邊形、三角形、圓柱面、圓錐面等）；然后再輸入條帶拉伸方向、條帶間隔等參數(shù)，就可以自動(dòng)生成條帶。同時(shí)，一個(gè)分區(qū)為了條帶布置方便以及電源的合理配置，往往還需要?jiǎng)澐趾芏嘧蛹訜岱謪^(qū)，它們一般是按照一定規(guī)律排列的，系統(tǒng)為其提供了自動(dòng)劃分加熱分區(qū)的工具。

平臺(tái)為加熱籠的分區(qū)設(shè)計(jì)提供了參數(shù)設(shè)計(jì)界面，可以進(jìn)行條帶寬度、死區(qū)高度、彈簧長度、擋板尺寸、最大電流等參數(shù)的設(shè)置。樹型菜單可以使用戶靈活的設(shè)置紅外加熱籠模型每一級分區(qū)的參數(shù)。

根據(jù)熱設(shè)計(jì)的結(jié)果，平臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行紅外加熱籠條帶的生成，同時(shí)將結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中，另外用戶還可以很方便地進(jìn)行局部修改，這為下一步試驗(yàn)系統(tǒng)的熱分析計(jì)算提供了有力的保證。圖4是使用本平臺(tái)的建模工具模塊對某型號的紅外加熱籠所建立的模型圖。

圖4 紅外加熱籠（含條帶）模型Fig. 4 Model of infrared cage with stripes

3 結(jié)束語

本文介紹了虛擬熱試驗(yàn)平臺(tái)中的建模工具模塊，它既可建立幾乎任意幾何形狀的模型，又能作幾何體間的布爾運(yùn)算并劃分網(wǎng)格；模型的接口描述采用“整體－局部”分層對象組合策略，所建立模型的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)表中，采用預(yù)排序遍歷樹算法，而不是傳統(tǒng)的遞歸算法，具有更高的遍歷效率；建模工具模塊提供了與Pro/E、SolidWorks等商業(yè)軟件的接口，用戶可以方便地將商業(yè)軟件中的模型導(dǎo)入虛擬熱試驗(yàn)平臺(tái)中。

（References）

[1]Luis R. The virtual test bed project, NASA/CR-2003-211527[R], 2003-12-15

[2]TAC Technologies Inc. Nevada user’s guide[G], 2004

[3]宛延凱. 工程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,1999: 7

[4]吳立軍, 陳波. Pro/ENGINEER 二次開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2006: 7