段鵬飛 李東 雷文平

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

1 引言

協(xié)同設(shè)計(jì)和分析［1］方法旨在提供一個(gè)基于項(xiàng)目的高度集成的設(shè)計(jì)工具（CAD）和性能分析工具（CAE）使用環(huán)境，以解決設(shè)計(jì)與分析過程中常用CAD 與CAE工具的數(shù)據(jù)交流問題。

空間相機(jī)的研制，通常涵蓋多學(xué)科問題（如機(jī)械、結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)等），各個(gè)學(xué)科之間相互影響，如熱光效應(yīng)［2］、光機(jī)變形等［3］。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式里，光-機(jī)-熱各學(xué)科設(shè)計(jì)單獨(dú)開展，各學(xué)科的設(shè)計(jì)師在自己的學(xué)科領(lǐng)域，運(yùn)用本學(xué)科的專業(yè)知識(shí)和工具進(jìn)行設(shè)計(jì)和性能分析［4-6］。受不同學(xué)科工程師專業(yè)知識(shí)背景和工程經(jīng)驗(yàn)的限制，不同學(xué)科之間很少有深入的交流或設(shè)計(jì)互動(dòng)；受不同學(xué)科專業(yè)分析工具的限制，單學(xué)科分析產(chǎn)生的結(jié)果很難在學(xué)科間共享。這就導(dǎo)致多學(xué)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(gè)研制過程中，實(shí)時(shí)把握相機(jī)系統(tǒng)的指標(biāo)是非常困難的，需要不斷反復(fù)的學(xué)科間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和過程分析［4-5］，人力、物力耗費(fèi)大，而且手工環(huán)節(jié)多［6］，極易產(chǎn)生錯(cuò)誤。其結(jié)果是，相機(jī)系統(tǒng)級(jí)的缺陷總是在項(xiàng)目研制的末期才會(huì)暴露，此時(shí)往往已耗費(fèi)了大量的人力、物力，使項(xiàng)目整體陷入被動(dòng)。美國國家航空航天局2008年對(duì)16個(gè)預(yù)算超出和節(jié)點(diǎn)拖延的空間遙感項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果有12個(gè)項(xiàng)目是因前期學(xué)科交流不到位、導(dǎo)致后期問題暴露，占被調(diào)查項(xiàng)目總數(shù)的3／4［8］。

協(xié)同設(shè)計(jì)和分析方法按照設(shè)計(jì)與性能分析過程間的轉(zhuǎn)換順序和關(guān)系，打通了學(xué)科間常用CAD／CAE工具之間的數(shù)據(jù)接口，避免了大量反復(fù)的數(shù)據(jù)手工轉(zhuǎn)換過程，有利于實(shí)現(xiàn)空間相機(jī)的多學(xué)科集成設(shè)計(jì)和集成分析，保證甚至減少和縮短研制的成本和周期；同時(shí)還能使得設(shè)計(jì)師把更多的精力放在產(chǎn)品優(yōu)化工作上，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，進(jìn)而提升空間相機(jī)系統(tǒng)的研制水平。

2 協(xié)同設(shè)計(jì)和分析方法

所謂協(xié)同設(shè)計(jì)和分析包含兩層含意：其一，設(shè)計(jì)與分析之間的協(xié)同，即CAD 與CAE 工具間的協(xié)同；其二，不同學(xué)科領(lǐng)域分析之間的協(xié)同，即不同學(xué)科CAE工具間的協(xié)同。協(xié)同設(shè)計(jì)和分析方法是通過工程數(shù)字模型的定義和流程模板的構(gòu)建，以及兩者的關(guān)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)的［1］。

2.1 工程數(shù)字模型——設(shè)計(jì)與分析協(xié)同的實(shí)現(xiàn)途徑

一臺(tái)空間相機(jī)的研制通常會(huì)被分解為光學(xué)、結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、電子學(xué)等多學(xué)科設(shè)計(jì)。各學(xué)科設(shè)計(jì)師使用專業(yè)的CAE 工具，建立自己學(xué)科領(lǐng)域相機(jī)的數(shù)字模型（樣機(jī)），分析相機(jī)的專業(yè)性能。

這些不同學(xué)科的CAE 分析方式有一個(gè)共同的特點(diǎn)，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(jī)結(jié)構(gòu)模型中。這將導(dǎo)致CAE 分析嚴(yán)重依賴CAD 結(jié)構(gòu)模型，具體表現(xiàn)在：首先必須先得到CAD 模型，才能實(shí)質(zhì)性地開展CAE分析相關(guān)工作；其次，由于CAE 分析的設(shè)置（分析網(wǎng)格控制規(guī)則、邊界條件、求解類型等）都是針對(duì)具體CAD 模型定義的，CAD 模型的變更意味著各學(xué)科CAE 專業(yè)分析要再重新建模，求解設(shè)置要再重新定義。

然而設(shè)計(jì)工作的深入總是伴隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的演化變更，設(shè)計(jì)師需要一個(gè)能包含所有CAD 模型與CAE分析屬性的數(shù)字模型。該模型的CAE 分析屬性設(shè)置不依賴于具體的CAD 模型，并且在CAD 模型發(fā)生變更后，與其相關(guān)的CAE 屬性依然被保留，并能夠直接參與性能分析。這樣的數(shù)字模型便是所謂的工程數(shù)字模型。

工程數(shù)字模型包含著幾何結(jié)構(gòu)、材料、熱、力學(xué)等屬性，是對(duì)應(yīng)于特定設(shè)計(jì)目標(biāo)的工程模型。對(duì)于空間光學(xué)相機(jī)，可以創(chuàng)建的工程數(shù)字模型，如圖1所示，包括：相機(jī)結(jié)構(gòu)裝配體與部件之間的裝配關(guān)系；結(jié)構(gòu)部件的材料屬性；相機(jī)結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格的控制規(guī)則；運(yùn)載器和空間環(huán)境熱、力學(xué)條件施加的對(duì)象；分析結(jié)果輸出的對(duì)象等。工程數(shù)字模型和物理模型之間利用標(biāo)簽技術(shù)［1］進(jìn)行聯(lián)系，標(biāo)簽信息包含所有上述工程數(shù)字模型涵蓋的內(nèi)容。

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

2.2 流程模板——各學(xué)科專業(yè)分析協(xié)同的實(shí)現(xiàn)途徑

空間相機(jī)集成分析涉及光、機(jī)、結(jié)構(gòu)、熱等多學(xué)科，每個(gè)專業(yè)學(xué)科CAE 工具運(yùn)行在各自的軟件環(huán)境下，數(shù)據(jù)傳遞要靠轉(zhuǎn)換中性格式甚至是手工換算［4-6，9］，集成度差。

隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，設(shè)計(jì)和分析工作需要在學(xué)科間跨專業(yè)進(jìn)行。各單學(xué)科領(lǐng)域設(shè)計(jì)師需要一個(gè)公共開放的環(huán)境，在此環(huán)境內(nèi)不同學(xué)科的CAE 分析數(shù)據(jù)能夠無障礙地在不同專業(yè)CAE 工具間傳輸，同時(shí)各學(xué)科的分析設(shè)置及結(jié)果能夠被及時(shí)有效地查閱，流程模板能夠很好地提供這一環(huán)境。CAE 分析領(lǐng)域流程模板的概念早在20世紀(jì)60年代就已被提出［1］，然而協(xié)同設(shè)計(jì)和分析流程模板卻有著鮮明的特點(diǎn)：它是由分析任務(wù)和數(shù)據(jù)流組成的。分析任務(wù)直接面向工程數(shù)字模型，各學(xué)科不同分析任務(wù)在模板后臺(tái)調(diào)用和執(zhí)行相應(yīng)的CAE 分析工具，并將分析結(jié)果送回流程模板；送回的結(jié)果數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)流在流程模板上不同分析任務(wù)間無障礙傳輸，數(shù)據(jù)流定義了分析數(shù)據(jù)在流程模板上的各分析任務(wù)節(jié)點(diǎn)間的流動(dòng)關(guān)系，即從上一個(gè)分析任務(wù)節(jié)點(diǎn)的輸出連接到下一個(gè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)的輸入。

圖2展示了針對(duì)空間相機(jī)集成分析建立的流程模板。流程模板以相機(jī)的CAD 模型為輸入，經(jīng)過熱分析任務(wù)、映射分析任務(wù)、結(jié)構(gòu)分析任務(wù)、轉(zhuǎn)換分析任務(wù)和光學(xué)分析任務(wù)等，某一分析任務(wù)的分析結(jié)果通過數(shù)據(jù)流以數(shù)據(jù)輸入或輸出的形式傳輸?shù)较乱粋€(gè)分析任務(wù)，最終得到光學(xué)指標(biāo)的輸出。

圖2 基于分析任務(wù)和數(shù)據(jù)流的空間相機(jī)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(biāo)簽技術(shù)與工程數(shù)字模型相關(guān)聯(lián)，當(dāng)CAD 模型輸入流程后，流程模板內(nèi)熱、結(jié)構(gòu)、光學(xué)等各分析任務(wù)通過識(shí)別工程數(shù)字模型，可以自動(dòng)找到其所有需要的設(shè)置，并根據(jù)設(shè)置自行啟動(dòng)分析求解。整個(gè)分析過程的數(shù)據(jù)和結(jié)果在同一個(gè)環(huán)境傳輸和顯示，各學(xué)科間數(shù)據(jù)傳遞無需中性格式轉(zhuǎn)換，高效、集成且不易產(chǎn)生錯(cuò)誤。即便是CAD 模型發(fā)生更變，其關(guān)聯(lián)的工程數(shù)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(wù)同樣可以自行分析求解。

這種面向工程數(shù)字模型的，通過分析任務(wù)后臺(tái)調(diào)用執(zhí)行CAE 分析工具、并能夠?qū)崿F(xiàn)分析結(jié)果數(shù)據(jù)無障礙傳遞的流程模板，便是各學(xué)科專業(yè)設(shè)計(jì)和分析的協(xié)同方法?？紤]到空間相機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，以及集成分析學(xué)科的綜合性，協(xié)同設(shè)計(jì)和分析方法便于構(gòu)建基于項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與性能分析平臺(tái)。

3 空間相機(jī)的協(xié)同設(shè)計(jì)和分析

本節(jié)將以某空間相機(jī)的光-機(jī)-熱集成分析［4-6］為例，展示協(xié)同方法對(duì)相機(jī)方案的快速性能評(píng)價(jià)。

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

下面將介紹具體的實(shí)施過程。

3.1 空間相機(jī)的結(jié)構(gòu)與工程數(shù)字模型

采用協(xié)同設(shè)計(jì)和分析方法，空間相機(jī)方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，必須與分析所需要的工程數(shù)字模型相關(guān)聯(lián)，以能夠直接參與CAE分析流程模板。

圖3 某空間相機(jī)方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 CAD model of a space camera

工程數(shù)字模型對(duì)應(yīng)相機(jī)光機(jī)熱集成分析所涉及的CAE屬性，包括熱分析工程數(shù)字模型和結(jié)構(gòu)分析工程數(shù)字模型。熱分析工程數(shù)字模型涵蓋了熱分析過程所需的CAE 屬性［11］，主要指光機(jī)結(jié)構(gòu)材料的熱學(xué)屬性、多層屬性、加熱片功率、加熱區(qū)域以及內(nèi)部熱源功耗等的工程數(shù)字模型。結(jié)構(gòu)分析工程數(shù)字模型涵蓋了結(jié)構(gòu)分析過程所用的CAE屬性［3］，包括光機(jī)結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)屬性、光機(jī)結(jié)構(gòu)組件間的相互作用關(guān)系、邊界約束區(qū)域等的工程數(shù)字模型。

之后利用標(biāo)簽技術(shù)將定義好的工程數(shù)字模型與相機(jī)方案的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。

3.2 協(xié)同環(huán)境光-機(jī)-熱集成分析

與上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程數(shù)字模型定義并行開展的，是空間相機(jī)性能評(píng)價(jià)的協(xié)同分析環(huán)境的創(chuàng)建，即光機(jī)熱集成分析流程模板的建立。CAE 同CAD 工作的協(xié)同，打破了傳統(tǒng)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(jī)、熱不同學(xué)科，既將各學(xué)科的CAE 分析協(xié)同到了同一環(huán)境里，同時(shí)又將對(duì)各學(xué)科專業(yè)知識(shí)積累起來，為空間相機(jī)光機(jī)熱集成分析的快速實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

按照集成分析順序，流程模板分4 部分內(nèi)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(jié)果遞交給結(jié)構(gòu)分析模型的映射分析部分；三是以Nastran軟件為核心的結(jié)構(gòu)分析部分；最終是以光機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具（SigFit）和光學(xué)分析工具（Code V）為核心的光機(jī)分析部分。

圖4 空間相機(jī)各學(xué)科協(xié)同式設(shè)計(jì)和集成分析Fig.4 Design and integrated analysis of space camera in the collaborative environment

空間相機(jī)方案的結(jié)構(gòu)模型、工程數(shù)字模型及流程模板的建立和關(guān)聯(lián)后，便實(shí)現(xiàn)了協(xié)同設(shè)計(jì)和分析環(huán)境下的集成分析。只要將方案的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)幾何導(dǎo)入光-機(jī)-熱集成分析流程模板，驅(qū)動(dòng)流程模板，就能在輸出端得到相機(jī)方案設(shè)計(jì)的性能評(píng)價(jià)。協(xié)同設(shè)計(jì)和分析方法的評(píng)價(jià)結(jié)果是依據(jù)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)等光學(xué)指標(biāo)，它們是環(huán)境載荷對(duì)空間相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)影響的最終評(píng)價(jià)。

圖4同樣展示了流程模板運(yùn)行完成后，得到的相機(jī)設(shè)計(jì)方案的有限元分析網(wǎng)格、CAE 分析得到的熱學(xué)溫度場、結(jié)構(gòu)位移場以及調(diào)制傳遞函數(shù)、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)等光學(xué)指標(biāo)結(jié)果。

從以上設(shè)計(jì)和分析過程可以看到，協(xié)同方法將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析，以及各專業(yè)的分析集成在同一流程模板下，實(shí)現(xiàn)了空間相機(jī)系統(tǒng)級(jí)各學(xué)科指標(biāo)的實(shí)時(shí)掌控。

4 協(xié)同設(shè)計(jì)和分析的優(yōu)勢(shì)

協(xié)同設(shè)計(jì)和分析技術(shù)帶來的便利和效率，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程中空間相機(jī)技術(shù)指標(biāo)的實(shí)時(shí)掌控。首先，CAE分析構(gòu)建與CAD 模型創(chuàng)建協(xié)同開展，打破了傳統(tǒng)模式下CAE 工作必須串行在CAD 工作之后的羈絆；同時(shí)，各學(xué)科的性能分析結(jié)果數(shù)據(jù)能夠在流程模板內(nèi)無障礙地傳輸，避免了大量反復(fù)的手工數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；當(dāng)相機(jī)方案的結(jié)構(gòu)需要變更時(shí)，由于變更后的結(jié)構(gòu)與已建立的工程數(shù)字模型之間的標(biāo)簽關(guān)聯(lián)依然保留，所以只要將變更后的結(jié)構(gòu)導(dǎo)入系統(tǒng)，便可直接重新運(yùn)行流程模板，快速獲取變更方案的指標(biāo)性能。

表1給出了采用協(xié)同設(shè)計(jì)和分析方法與傳統(tǒng)方法的效率對(duì)比。可以看到，在CAD 與CAE 間的協(xié)同設(shè)計(jì)中，對(duì)空間相機(jī)工程數(shù)字模型CAE 屬性的定義，以及工程數(shù)字模型與相機(jī)結(jié)構(gòu)CAD 間的標(biāo)簽關(guān)聯(lián)只需要進(jìn)行一次。在不同學(xué)科CAE 間的協(xié)同設(shè)計(jì)中，對(duì)空間相機(jī)光機(jī)熱集成分析流程模板的創(chuàng)建和調(diào)試只需要進(jìn)行一次，并且可以是同結(jié)構(gòu)幾何模型和工程數(shù)字模型的創(chuàng)建并行開展的。

表1 協(xié)同設(shè)計(jì)分析方法與傳統(tǒng)方法效率對(duì)比Table 1 Efficience companison between STOP and traditional method

更為顯著的，利用協(xié)同設(shè)計(jì)和分析方法使得空間相機(jī)研制過程中的工作效率提升了一倍，這樣可以在節(jié)省的時(shí)間內(nèi)，對(duì)空間相機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行多次修改并對(duì)空間環(huán)境的影響進(jìn)行重分析，使得產(chǎn)品研制質(zhì)量和效率的提高、項(xiàng)目研制周期的縮短成為可能。

5 結(jié)束語

協(xié)同設(shè)計(jì)和集成分析方法實(shí)現(xiàn)了空間相機(jī)項(xiàng)目實(shí)施過程中常用CAD／CAE 工具的集成，便于構(gòu)建基于項(xiàng)目的數(shù)據(jù)交流平臺(tái)。本文對(duì)實(shí)現(xiàn)這一協(xié)同方法的途徑、工程數(shù)字模型和流程模板，進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。然后以某空間相機(jī)方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析為例，展示了采用這一方法進(jìn)行分析的過程。結(jié)果表明協(xié)同設(shè)計(jì)和集成分析能夠有效避免學(xué)科間數(shù)據(jù)交互的壁壘，并快速評(píng)價(jià)環(huán)境載荷、設(shè)計(jì)變更等因素對(duì)空間相機(jī)光學(xué)性能的影響，它是提高空間相機(jī)設(shè)計(jì)和分析效率的有效途徑，同時(shí)也為開展基于仿真的空間相機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一條有效途徑。

隨著我國空間相機(jī)項(xiàng)目任務(wù)的增多，協(xié)同設(shè)計(jì)和分析方法集成、高效的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步體現(xiàn)，這是協(xié)同設(shè)計(jì)分析所面臨的機(jī)遇。然而協(xié)同設(shè)計(jì)和分析概念的理解和使用，以及協(xié)同環(huán)境集成能力的提升和改善還需要做大量踏實(shí)細(xì)致的工作；此外，協(xié)同優(yōu)勢(shì)在未來項(xiàng)目中的發(fā)揮還需要科學(xué)的項(xiàng)目管理制度，以及各學(xué)科領(lǐng)域設(shè)計(jì)師集體的智慧和勞動(dòng)。希望本文能起到拋磚引玉的作用。

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