郭福生，姚 敏

(1. 中國人民解放軍95365部隊(duì)， 湖北 武漢 430071； 2. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

虛擬樣機(jī)技術(shù)在雷達(dá)維護(hù)中的應(yīng)用研究*

郭福生1，姚 敏2

(1. 中國人民解放軍95365部隊(duì)， 湖北 武漢 430071； 2. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

虛擬樣機(jī)技術(shù)代表了最新的設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的設(shè)計(jì)水平，能滿足先進(jìn)軍事裝備的快速研制要求，可有效提高研制效率和質(zhì)量，縮短研制周期，降低成本。文中基于實(shí)際產(chǎn)品詳述了虛擬樣機(jī)技術(shù)在雷達(dá)設(shè)計(jì)及維護(hù)中的應(yīng)用。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用可有效降低雷達(dá)的研制風(fēng)險(xiǎn)，提高雷達(dá)的可維修性和產(chǎn)品質(zhì)量。該應(yīng)用為虛擬樣機(jī)技術(shù)在電子機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展提供了技術(shù)支持。

軍事裝備；虛擬樣機(jī)；雷達(dá)維護(hù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引 言

虛擬樣機(jī)是集成CAD設(shè)計(jì)、CAE仿真、VR可視化的綜合數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)，在航空、航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[1-3]。該技術(shù)可以集成于產(chǎn)品的全生命周期，可有效縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約成本，成為企業(yè)發(fā)展的核心競爭力。虛擬樣機(jī)技術(shù)在復(fù)雜電子產(chǎn)品雷達(dá)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造過程中也起到了越來越重要的作用，為未來雷達(dá)的小型化、快速設(shè)計(jì)指明了方向[4-5]。本文著重研究了虛擬樣機(jī)技術(shù)在提升雷達(dá)可靠性以及雷達(dá)中后期維護(hù)中的應(yīng)用。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)在雷達(dá)可靠性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

一個(gè)優(yōu)秀的技術(shù)產(chǎn)品，其卓越的性能指標(biāo)應(yīng)該源于設(shè)計(jì)。而這卓越的性能指標(biāo)離不開虛擬樣機(jī)技術(shù)，雷達(dá)設(shè)計(jì)同樣如此，設(shè)計(jì)過程中追求的是產(chǎn)品的全生命周期免維護(hù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)不斷地提高設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)水平，優(yōu)化雷達(dá)產(chǎn)品，逐漸向著終極目標(biāo)免維護(hù)即“0”故障逼近。

1.1 在雷達(dá)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

首先，在雷達(dá)設(shè)計(jì)初始階段就要用到虛擬樣機(jī)技術(shù)，通過CAD全三維建模技術(shù)和渲染技術(shù)，把雷達(dá)的各個(gè)部分直觀地呈現(xiàn)在用戶面前，使用戶對(duì)產(chǎn)品有更加直觀的認(rèn)識(shí)，可避免因溝通歧義造成的損失。然后對(duì)雷達(dá)各部分分系統(tǒng)的外觀設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，使之與產(chǎn)品外觀統(tǒng)型，使產(chǎn)品的外觀具有繼承性并更具企業(yè)特征。比如各產(chǎn)品LOGO的設(shè)計(jì)一般都要進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范。這樣設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品才更具統(tǒng)一規(guī)范性，擺放在一起更具有美感，如圖1所示。

圖1 某產(chǎn)品顯控臺(tái)及機(jī)柜造型設(shè)計(jì)

其次，在雷達(dá)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中， CAE技術(shù)發(fā)揮著舉足輕重的作用。CAD建模完成后，要進(jìn)行干涉仿真、力學(xué)性能仿真、電磁兼容仿真、全三維布線等仿真分析，以減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。圖2所示為一些雷達(dá)分系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

圖2 雷達(dá)仿真分析

雷達(dá)產(chǎn)品經(jīng)多次優(yōu)化確定了如圖3所示的雷達(dá)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。先進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，之后進(jìn)行設(shè)計(jì)合理性的仿真驗(yàn)證；然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能的改進(jìn)和優(yōu)化，優(yōu)化后再次驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，合理則進(jìn)行維修性仿真，不合理則返回優(yōu)化階段再次進(jìn)行優(yōu)化；最后進(jìn)行可維修性的仿真驗(yàn)證和三維標(biāo)注出圖。此方式可有效減少設(shè)計(jì)時(shí)間和因設(shè)計(jì)造成的差錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)。

1.2 用戶交互式手冊(cè)

在設(shè)計(jì)雷達(dá)的同時(shí)需要制作交互式用戶手冊(cè)，以提高雷達(dá)的維護(hù)/維修效率。交互式用戶手冊(cè)包含產(chǎn)品功能性介紹和產(chǎn)品維護(hù)手冊(cè)。

圖3 設(shè)計(jì)流程

產(chǎn)品功能介紹包括產(chǎn)品各功能模塊介紹以及大型雷達(dá)的三維組裝工藝，采用三維可視化技術(shù)解決產(chǎn)品信息的可視化和圖形仿真，精確、低成本、高效率地進(jìn)行裝配、拆裝、維護(hù)仿真和交互式客戶設(shè)計(jì)，如圖4、圖5所示，并公布設(shè)計(jì)信息供研制人員使用、檢查。

圖4 某雷達(dá)天線座吊裝示意圖

圖5 某雷達(dá)電源裝配示意圖

1.3 雷達(dá)電訊數(shù)字化虛擬樣機(jī)

除了比較直觀的雷達(dá)結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)以外，電訊數(shù)字化虛擬樣機(jī)技術(shù)在雷達(dá)的研發(fā)生產(chǎn)過程中也發(fā)揮著重要的作用。在概念設(shè)計(jì)階段，可通過虛擬樣機(jī)將戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)分解為技術(shù)指標(biāo)；在方案設(shè)計(jì)階段，可通過虛擬樣機(jī)構(gòu)建雷達(dá)的具體架構(gòu)，進(jìn)行功能仿真；在系統(tǒng)聯(lián)試階段，可通過虛擬樣機(jī)進(jìn)行關(guān)鍵算法仿真；在工程研制、設(shè)計(jì)定型階段，可通過虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、算法優(yōu)化等。隨著樣機(jī)的不斷完善和推廣，仿真計(jì)算能力的增強(qiáng)可有效提升聯(lián)試調(diào)試水平，隨之而來的是產(chǎn)品性能的提升、外場聯(lián)試時(shí)間的縮短和成本的降低。

2 虛擬樣機(jī)技術(shù)在雷達(dá)維護(hù)時(shí)的應(yīng)用

2.1 故障虛擬診斷

在對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品用戶進(jìn)行培訓(xùn)時(shí)，可根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)要求，在虛擬樣機(jī)上加載不同的模擬故障案例。用戶通過故障庫模型學(xué)習(xí)了解某型雷達(dá)固有的或經(jīng)常性的易發(fā)故障，從而有效提高其操作技能和處理故障的能力。

雷達(dá)是一個(gè)復(fù)雜的電器機(jī)電信息系統(tǒng)，其故障有可能是因多系統(tǒng)之間的耦合干擾形成的，所以排除起來也比較困難。一些“疑難雜癥”經(jīng)常需要多位雷達(dá)分系統(tǒng)專家協(xié)同才能解決。協(xié)同現(xiàn)代化的通訊手段可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)故障的遠(yuǎn)程專家會(huì)診，一位電器工程師即可排除雷達(dá)多專業(yè)故障，降低了雷達(dá)的維護(hù)成本。

另外，在進(jìn)行雷達(dá)電源、陣面T/R組件等批量比較多的調(diào)試件調(diào)試時(shí)，需設(shè)計(jì)虛擬雷達(dá)系統(tǒng)，模擬整個(gè)或局部雷達(dá)系統(tǒng)。這些組件在設(shè)計(jì)時(shí)就設(shè)置了調(diào)試接口，可以在調(diào)試臺(tái)的虛擬系統(tǒng)上進(jìn)行批量檢測(cè)、調(diào)試，并在一些有可能出問題的電路模塊設(shè)置了測(cè)試端口，以方便故障診斷定位。這樣可以實(shí)現(xiàn)組件的快速調(diào)試，而且搭建虛擬調(diào)試系統(tǒng)可解決各雷達(dá)分系統(tǒng)之間的相互依賴，縮短調(diào)試周期。

2.2 虛擬維修

雷達(dá)將一些故障信號(hào)傳輸給控制終端，故障分析系統(tǒng)給出故障信號(hào)。用戶可根據(jù)系統(tǒng)提示直接更換備件，全三維的交互式手冊(cè)可給用戶以更直觀的操作指導(dǎo)。同時(shí)故障數(shù)據(jù)記錄于后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)師對(duì)各模塊的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)故障的發(fā)生原因進(jìn)行追溯，以便對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行更新升級(jí)，提高雷達(dá)的可靠性。

對(duì)于一些大構(gòu)建如雷達(dá)天線座、相控陣陣面等的組裝、拆解、維修，可以通過虛擬樣機(jī)技術(shù)制作更加精準(zhǔn)的維修預(yù)案。它能夠全面逼真地反映現(xiàn)實(shí)維修的空間環(huán)境，能夠預(yù)判操作過程中可能遇到的碰撞、干涉等情況，可以對(duì)維修設(shè)備、維修工種以及維修時(shí)間進(jìn)行正確評(píng)估，如圖6所示。虛擬維修對(duì)雷達(dá)有限的操作環(huán)境(如山頂、天線罩內(nèi))來說是非常必要的。

圖6 某雷達(dá)電源維護(hù)示意圖

產(chǎn)品維修的過程少不了人的參與，產(chǎn)品移動(dòng)的過程也就是人動(dòng)作的過程。設(shè)計(jì)維修的可行性、舒適性也是衡量一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)[9]。采用Delmia軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可視性、可達(dá)性、可操作性、舒適性以及安全性的仿真。仿真時(shí)加入人體模型和工具模型，對(duì)人為判斷的一些難操作區(qū)域進(jìn)行仿真驗(yàn)證。人機(jī)仿真部分驗(yàn)證工人工作空間的開敞性和動(dòng)作的舒適程度，并且在特定工作空間內(nèi)對(duì)操作人員的身高體型的要求進(jìn)行模擬，以保證實(shí)際工作能高效、順利地進(jìn)行。

3 結(jié)束語

依托虛擬樣機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)的設(shè)計(jì)協(xié)同、分析仿真、虛擬驗(yàn)證工作，優(yōu)化了設(shè)計(jì)流程，達(dá)到了縮短雷達(dá)研制周期、降低研制與維修費(fèi)用的目標(biāo)。虛擬樣機(jī)技術(shù)在雷達(dá)中的使用保證了產(chǎn)品質(zhì)量的提升。它在雷達(dá)中的前期經(jīng)驗(yàn)積累，為其在雷達(dá)中的應(yīng)用與推廣奠定了基礎(chǔ)。如何進(jìn)行不同軟件、不同流程之間的銜接以及整體流程的規(guī)劃與實(shí)現(xiàn)將成為虛擬樣機(jī)技術(shù)未來幾年研究的熱點(diǎn)。隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在雷達(dá)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也將會(huì)有更加深入的研究。

[1] 閆雪鋒, 段國林, 許紅靜. 面向復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)研究綜述[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2014, 20(11): 2652-2659.

[2] 申承均, 劉曉娟, 盛力偉. 虛擬樣機(jī)技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2008(8): 234-236.

[3] 馬國紅, 朱書林, 王聰, 等. 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)器人空間軌跡實(shí)現(xiàn)及仿真分析[J]. 電子工程信息, 2013(6): 12-14.

[4] 邵余紅, 朱寶明, 陳榮, 等. 雷達(dá)信號(hào)處理分系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)[J]. 電子工程信息, 2013(4): 30-39.

[5] 張道富, 王高飛. 雷達(dá)機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2009, 31(4): 87-90.

[6] 鄭偉剛, 劉志軍, 楊寧. 汽車轉(zhuǎn)向泵支架的靜態(tài)和模態(tài)分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2013, 35(5): 17-20.

郭福生(1979-)，男，工程師，主要從事雷達(dá)發(fā)射機(jī)操作應(yīng)用研究工作。

姚 敏(1980-)，男，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Application Research of Virtual Prototype Technology for Radar Maintenance

GUO Fu-sheng1，YAO Min2

(1.Unit95365ofPLA,Wuhan430071,China；2.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

On behalf of the latest design concept and the new design level, the virtual prototype technology meets the rapid development of the advanced military equipment. This technology can effectively improve the development efficiency and quality, shorten the research cycle and reduce the cost. The application of virtual prototype technology to radar design and maintenance is illustrated in detail based on the actual products. With this technology the risk of radar design can be effectively reduced and the maintainability and product quality can be improved. The application of virtual prototype technology to the radar provides technical support for application and development in electro-mechanical field.

military equipment; virtual prototype; radar maintenance; structure design

2015-09-20

TP391.98

A

1008-5300(2015)05-0062-03