賈立德，鄭永煌，李建忠，徐曉婭

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

1 引言

載人航天發(fā)射場是飛船、運載火箭等產(chǎn)品測試發(fā)射過程中使用的所有地面設施設備總稱［1］。隨著航天發(fā)射任務的日益增多，對發(fā)射場設施設備的可靠性安全性和精細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)驗的維修保障方法已經(jīng)越來越不適應新的任務要求［1］。

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

虛擬樣機技術(shù)是指基于產(chǎn)品計算機仿真模型的數(shù)字化設計、分析與優(yōu)化方法。它以計算機仿真和建模為依托，融合智能化設計技術(shù)、并行工程、仿真工程等，最終目標是對產(chǎn)品的設計、使用性能進行精確、量化分析與預測，從而達到設計和維護使用管理的最優(yōu)化［2-7］。

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

本文對近年來在載人航天發(fā)射場綜合維修保障領域開展的虛擬樣機技術(shù)研究與應用情況進行了系統(tǒng)總結(jié)，對虛擬樣機技術(shù)在載人航天發(fā)射場的應用特點進行了分析。

2 應用領域和特點

2.1 應用領域

載人航天發(fā)射場設施設備按照專業(yè)領域，可以劃分為非標機械設備、電控設備、加注供氣設備、空調(diào)消防設備和供配電設備幾大類。載人航天發(fā)射場虛擬樣機技術(shù)應用就是圍繞上述設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方面。

載人航天發(fā)射場虛擬樣機技術(shù)的典型應用領域如圖1所示。

圖1 載人航天發(fā)射場虛擬樣機技術(shù)應用領域Fig.1 Application field of virtual prototype technology in manned space launch site

2.2 應用特點

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

1)設施設備全壽命周期綜合應用

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

圖2 全生命周期的虛擬樣機技術(shù)應用框圖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)射場設施設備種類繁多，但本質(zhì)上是一個機、電、液、氣綜合系統(tǒng)。由圖1可以看出，虛擬樣機技術(shù)的應用領域能夠涵蓋發(fā)射場的主要專業(yè)和分系統(tǒng)，如非標機械設備的結(jié)構(gòu)剛強度分析、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，虛擬樣機技術(shù)在發(fā)射場具備廣泛應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

虛擬樣機技術(shù)在載人航天發(fā)射場的應用涵蓋了發(fā)射場的主要專業(yè)和分系統(tǒng)。從虛擬樣機技術(shù)在發(fā)射場應用的專業(yè)理論領域來看，虛擬樣機技術(shù)應用主要是以結(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、有限元分析、場分析、數(shù)值傳熱等領域的基礎理論。

3 典型應用

3.1 關(guān)鍵設備三維可視化建模

建立臍帶塔等發(fā)射場關(guān)鍵設備的三維可視化模型，能夠為快速、準確的開展箭塔接口協(xié)調(diào)、技術(shù)會商提供一種有效、精確、直觀的技術(shù)手段［4-7］。

在Pro/E平臺上，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。同時設計開發(fā)了模型管理數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對大量的零部件模型和裝配體模型的高效組織、管理、存儲和使用。系統(tǒng)主要功能包括:

1)零部件設計、工藝信息的存儲與顯示。系統(tǒng)在形象、完整顯示零部件三維構(gòu)型的基礎上，同時根據(jù)設計圖紙，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)鍵詞對零部件信息進行查詢，方便技術(shù)協(xié)調(diào)和會商。

3)動態(tài)演示設備運行原理。系統(tǒng)利用Pro/E軟件的裝配體設計與動畫演示模塊，對關(guān)鍵部件的運行原理、裝配/拆卸順序進行動態(tài)演示，便于更加形象直觀地掌握設備原理和狀態(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)靜動特性分析

準確掌握臍帶塔回轉(zhuǎn)平臺等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在各種復雜載荷作用下靜動特性，對于準確掌握設備使用維護規(guī)律，確保設施設備可靠性安全性具有重要意義［8，9］。

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

風載荷是影響發(fā)射時刻臍帶塔回轉(zhuǎn)平臺展開的重要因素［10，11］，尤其是 2009 年臍帶塔回轉(zhuǎn)平臺由原來的非封閉狀態(tài)改造為封閉狀態(tài)，回轉(zhuǎn)平臺受風面積大大增加，結(jié)構(gòu)靜動特性發(fā)生變化。利用上述有限元分析結(jié)果能夠?qū)δ殠剞D(zhuǎn)平臺受風載荷的影響進行準確評估。由圖4可以看出，封閉后的回轉(zhuǎn)平臺一階固有頻率為1.8 Hz，高于常見風振頻率(0.5 Hz)，因此從結(jié)構(gòu)風振的角度分析，封閉后的回轉(zhuǎn)平臺是安全的。

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

3.3 發(fā)射場電控設備虛擬仿真與訓練

計算機和電氣控制是發(fā)射場關(guān)鍵設備的主要控制方式。開發(fā)發(fā)射場電控設備虛擬仿真與訓練平臺，對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、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)操作實時、動態(tài)同步動作，準確再現(xiàn)系統(tǒng)工作原理和過程;

2)設備運行過程中的模擬量參數(shù)，可在操作面板儀表盤上實時顯示出來，并與系統(tǒng)真實狀態(tài)相同;

3)控制原理、工作原理界面可單獨用來進行動態(tài)原理分析，在圖中能反映實際設備的運行原理和過程，可用來進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)正常的操作運行過程，或仿真顯示不同器件故障的運行原理及設備狀態(tài)信息。

3.4 臍帶塔封閉區(qū)溫度場建模與評估

神舟飛船、運載火箭等產(chǎn)品對臍帶塔測試封閉區(qū)的環(huán)境溫濕度有嚴格的要求。但長期以來，發(fā)射場主要依靠經(jīng)驗和定性分析手段對臍帶塔封閉區(qū)環(huán)境溫度進行簡要分析與估計，誤差較大。尤其是對于推遲發(fā)射等特殊情況下需要對臍帶塔封閉區(qū)環(huán)境溫度保障能力進行精確計算、評估時顯得手段不足［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。為了提高計算效率，選取臍帶塔封閉區(qū)的一半建立數(shù)值模型，對稱面為封閉區(qū)的閉合界面。根據(jù)結(jié)構(gòu)建立相應的模型，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)部對稱面上穩(wěn)定情況下溫度分布趨勢云圖，由圖可知，整個封閉區(qū)內(nèi)部溫度分布符合流體力學規(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，造成內(nèi)外空間的溫差并形成強烈的對流熱交換。

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)溫度場建模與評估Fig.6 Modelling and evaluation of temperature feld of the closed-space

4 應用體會

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。通過作者最近幾年的相關(guān)研究工作，可以看到，虛擬樣機技術(shù)在未來發(fā)射場建設，尤其是信息化建設中必將起到重要作用。概括起來，可以分為以下幾個方面:

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

2)為人員訓練、能力評估提供直觀、可視的平臺。虛擬樣機技術(shù)的應用使原來抽象、復雜的設備原理和結(jié)構(gòu)形象化、具體化、直觀化，從而為崗位人員的訓練、能力評估提供了便捷的平臺和手段。

3)為接口協(xié)調(diào)、技術(shù)會商、設備維修改造提供技術(shù)支持手段。虛擬樣機技術(shù)的應用，使得我們在火箭與地面設備接口協(xié)調(diào)、技術(shù)會商和設備維修改造中能夠及時、準確的掌握設備技術(shù)狀態(tài)變化情況，確保接口的匹配性、協(xié)調(diào)性，改造的準確性、合理性。

4.2 經(jīng)驗體會

結(jié)合虛擬樣機技術(shù)在載人航天發(fā)射場實際應用中遇到的技術(shù)問題，可以得出以下經(jīng)驗體會:

1)模型的精確性和復雜性問題。結(jié)果的準確性必然要求模型的精確性。但在實際工程應用中，如果不對實際模型進行適當?shù)暮喕?，就必然導致模型過于龐大和復雜，主要表現(xiàn)在模型數(shù)據(jù)量大、仿真運算速度慢，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，在實際應用中，必須要處理好模型的精確性和復雜性之間的矛盾問題。具體而言，就是針對需要的結(jié)果和分析對象，將模型進行充分的簡化，將不影響主要規(guī)律和結(jié)果的次要問題進行簡化，例如在回轉(zhuǎn)平臺結(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)推廣應用平臺的構(gòu)建問題。虛擬樣機技術(shù)在航天發(fā)射場的應用必須要依賴良好的應用平臺。如前所述，虛擬樣機技術(shù)的應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)果的應用，尤其是在操作崗位的應用，必須要有一種基于統(tǒng)一平臺的多種類資源應用系統(tǒng)，能夠方便、快捷地實現(xiàn)交互操作和仿真運行，這樣才能適應高密度常態(tài)化試驗任務要求。作者體會，基于交互式電子技術(shù)手冊的應用平臺就是一種可行的選擇。

5 結(jié)論

通過對發(fā)射場虛擬樣機技術(shù)幾個典型應用的分析介紹，可以發(fā)現(xiàn)，虛擬樣機技術(shù)是發(fā)射場信息化建設和未來發(fā)展的重要技術(shù)基礎;是發(fā)射場設計、建設、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)驗分析向精確分析轉(zhuǎn)變的必然要求;也是計算機技術(shù)和軟件技術(shù)在發(fā)射場不斷應用的必然結(jié)果。

虛擬樣機技術(shù)是一個非常廣泛的技術(shù)領域，在發(fā)射場的應用也必將隨著發(fā)射場的建設發(fā)展而不斷深入。充分發(fā)揮虛擬樣機技術(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，仍是一個重要的課題和努力的方向。

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