張晨曦，馬曉丹

（1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100；2.第二炮兵工程大學(xué)，陜西西安710125）

0 引言

航天發(fā)射任務(wù)密度越來(lái)越高、發(fā)動(dòng)機(jī)研制任務(wù)越來(lái)越繁重，通過(guò)信息化、數(shù)字化手段提高工作效率也越來(lái)越重要。如何將設(shè)計(jì)人員從重復(fù)性高的設(shè)計(jì)工作和繁復(fù)易出錯(cuò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移、項(xiàng)目管理等工作中解放出來(lái)是數(shù)字化設(shè)計(jì)工作要研究的首要問(wèn)題。

目前，無(wú)論是大到液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)還是其中渦輪泵設(shè)計(jì)，都是以人工設(shè)計(jì)為主，雖然應(yīng)用了pro/E等電腦化工具，但離流程化、模塊化及數(shù)字化還相差很遠(yuǎn)。渦輪泵產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有種類多、重復(fù)設(shè)計(jì)率高、參數(shù)變化多種多樣等特點(diǎn)。因此，在實(shí)際的實(shí)際過(guò)程中需要設(shè)計(jì)人員針對(duì)不同的設(shè)計(jì)要求不斷進(jìn)行重復(fù)勞動(dòng)，多次驗(yàn)證。這樣不但降低了工作效率，增加了出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)，也使得本來(lái)就有限的設(shè)計(jì)人員力量顯得更加短缺；同時(shí)，數(shù)據(jù)和模型之間的聯(lián)系主要靠人工傳遞，模型協(xié)調(diào)的代價(jià)很高，更不利于今后的數(shù)字化仿真計(jì)算的需求，不符合今后機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)字化的發(fā)展大方向。

因此，以設(shè)計(jì)集成化、模塊化、多學(xué)科綜合化和數(shù)據(jù)管理流程化等為目標(biāo)，創(chuàng)建了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)集成設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)框架。該系統(tǒng)通過(guò)流程化模板進(jìn)行零件和組件的建模、設(shè)計(jì)；通過(guò)流程中的數(shù)據(jù)流，控制流驅(qū)動(dòng)各個(gè)模板和軟件協(xié)同工作；以不同角色和不同項(xiàng)目時(shí)間節(jié)點(diǎn)為維度直接從設(shè)計(jì)模板中提取設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行項(xiàng)目流程管理。在該系統(tǒng)框架下建立的渦輪泵設(shè)計(jì)流程，軟件高度集成，提高了設(shè)計(jì)、建模效率，提高了軟件的共享性；通過(guò)統(tǒng)一關(guān)聯(lián)模型，自動(dòng)保證設(shè)計(jì)階段之間的緊密關(guān)聯(lián)，方案更改和模型協(xié)調(diào)的工作量大為減少，從而使多學(xué)科關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)和優(yōu)化成為可能。

本文在分析了集成管理平臺(tái)實(shí)施必要性的基礎(chǔ)上介紹了基于集成設(shè)計(jì)平臺(tái)的渦輪泵誘導(dǎo)輪集成設(shè)計(jì)流程模板的實(shí)現(xiàn)，給出了包括一維方案設(shè)計(jì)、三維造型設(shè)計(jì)、模型后處理及設(shè)計(jì)報(bào)告模板生成的完整設(shè)計(jì)過(guò)程，分別展示了模板各個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

1 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)集成設(shè)計(jì)平臺(tái)

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供了建立液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)常用的設(shè)計(jì)分析流程模板的軟件環(huán)境。結(jié)合日常設(shè)計(jì)工作流程開發(fā)形成的設(shè)計(jì)流程模板，積累了設(shè)計(jì)分析的方法和經(jīng)驗(yàn)，固化了設(shè)計(jì)分析流程，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方法的繼承，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作，提高了設(shè)計(jì)效率。下面對(duì)平臺(tái)特點(diǎn)和達(dá)到的實(shí)踐效果進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：

1）平臺(tái)在一體化設(shè)計(jì)環(huán)境下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)組合件設(shè)計(jì)分析模型，進(jìn)行封裝集成，定義公共數(shù)據(jù)接口和分類模型的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，形成一體化框架，具有靈活便利的流程管理，自組式的流程構(gòu)建方法，滿足靈活多變的需求，從而發(fā)揮設(shè)計(jì)員的主動(dòng)性、創(chuàng)新性。

2）平臺(tái)中流程節(jié)點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)程序以及設(shè)計(jì)參數(shù)的封裝，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。包括：提供交互式操作界面，定制設(shè)計(jì)仿真過(guò)程中的各種參數(shù)，監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析模板可進(jìn)行迭代或反復(fù)優(yōu)化過(guò)程；實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中自研設(shè)計(jì)軟件、CAD、流體分析軟件的一體化集成封裝和整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的流程化；協(xié)調(diào)各設(shè)計(jì)分析模板，根據(jù)設(shè)計(jì)人員需求搭建一體化設(shè)計(jì)分析流程。

3）集成設(shè)計(jì)子系統(tǒng)中，通過(guò)定制開發(fā)，涉及CAD、流體、結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的不同設(shè)計(jì)分析模型及應(yīng)用，無(wú)論是使用商用軟件還是采用自研軟件，都被封裝集成起來(lái)，形成了直接面向工程的應(yīng)用界面；后臺(tái)調(diào)用各軟件及子模塊，無(wú)需單獨(dú)進(jìn)入商用軟件及自研軟件的執(zhí)行界面，形成了統(tǒng)一的直接面向工程的一體化應(yīng)用界面。

此外，集成設(shè)計(jì)子系統(tǒng)底層具有強(qiáng)大高效的數(shù)據(jù)管理機(jī)制，能夠全面管理發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)仿真集成產(chǎn)生的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)所有設(shè)計(jì)和仿真數(shù)據(jù)能夠有效的進(jìn)行管理和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、大文件管理、快速高效數(shù)據(jù)檢索等。

2 設(shè)計(jì)流程模板

以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪泵多噴嘴渦輪集成設(shè)計(jì)流程的建立來(lái)介紹該系統(tǒng)。集成設(shè)計(jì)流程根據(jù)多噴嘴渦輪實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程建立：1）通過(guò)分析渦輪泵總體方案設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行多噴嘴渦輪設(shè)計(jì)分析；2）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)過(guò)程產(chǎn)生的自研軟件進(jìn)行交互式一維方案設(shè)計(jì)；3）集成pro/E和UG等外部CAD軟件，參數(shù)化三維造型；4）運(yùn)用集成Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，集成Fluent軟件進(jìn)行流體分析；5）運(yùn)用集成Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，集成ANSYS軟件結(jié)構(gòu)分析；6）通過(guò)解析報(bào)告、集成word得到誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)分析報(bào)告。誘導(dǎo)輪集成設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 多噴嘴渦輪設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design flow of multi-injector turbo

3 一維方案設(shè)計(jì)

在多噴嘴渦輪設(shè)計(jì)流程的長(zhǎng)期完善中形成了一套自己的設(shè)計(jì)方法：將一維方案設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法固化在自主研發(fā)軟件中，通過(guò)使用自研軟件快速完成參數(shù)計(jì)算等一維方案設(shè)計(jì)工作；掌握在某個(gè)設(shè)計(jì)人員手中的自研軟件即存在集成自動(dòng)化程度低又存在共享性差的問(wèn)題，將這些設(shè)計(jì)軟件以參數(shù)傳遞的方式集成進(jìn)入設(shè)計(jì)平臺(tái)中；通過(guò)平臺(tái)調(diào)用的方式完成一維方案設(shè)計(jì)，提高了子系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率和穩(wěn)定性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的共享。

集成設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境通過(guò)文件解析和命令執(zhí)行功能組件實(shí)現(xiàn)輸入輸出文件交互，完成自研軟件和其他外部應(yīng)用程序的封裝，應(yīng)用自動(dòng)驅(qū)動(dòng)可執(zhí)行程序，實(shí)現(xiàn)與輸入輸出文件之間的數(shù)據(jù)傳遞。

自研軟件完成集成后，即形成了一維方案設(shè)計(jì)模塊。在一維方案設(shè)計(jì)模塊中根據(jù)渦輪泵總體方案設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)上述步驟的讀取和轉(zhuǎn)換給入到自研程序，應(yīng)用自研程序進(jìn)行初步計(jì)算，得到多噴嘴渦輪的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，并將該結(jié)果作為輸入傳遞到多噴嘴渦輪設(shè)計(jì)的下一模塊中去，為三維造型和流體結(jié)構(gòu)分析提供輸入條件。一維方案設(shè)計(jì)模塊的實(shí)現(xiàn)及原理示意圖如圖2所示。

圖2 多噴嘴渦輪一維方案設(shè)計(jì)模塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of design module in one-dimensional scheme for multi-injector turbo

4 三維造型集成實(shí)現(xiàn)

三維造型是渦輪泵設(shè)計(jì)過(guò)程乃至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，也是生產(chǎn)試驗(yàn)過(guò)程的主要依據(jù)。如何完成發(fā)動(dòng)機(jī)零件的流程化快速、準(zhǔn)確三維造型也是整個(gè)集成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。

應(yīng)用Pro/E將渦輪泵三維模型進(jìn)行參數(shù)化，通過(guò)改變相應(yīng)參數(shù)能夠自動(dòng)生成渦輪泵三維模型，并且能接受渦輪泵各個(gè)設(shè)計(jì)方案模板計(jì)算輸出的渦輪泵結(jié)構(gòu)參數(shù)。另外，為后續(xù)可能擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)計(jì)算和仿真提供CAD模型。CAD模型可以導(dǎo)出獨(dú)立文件并予以保存。

根據(jù)渦輪泵產(chǎn)品自身特點(diǎn)，其三維造型的主要零件有：渦輪、誘導(dǎo)輪、流道及離心輪等。這些零件的主要參數(shù)已經(jīng)通過(guò)各自流程模板中一維設(shè)計(jì)模塊計(jì)算得出。利用集成平臺(tái)提供的統(tǒng)一參數(shù)傳遞工具將參數(shù)傳遞進(jìn)入Pro/E造型模塊并賦值模塊內(nèi)對(duì)應(yīng)參數(shù)；建立三維模型將其中相應(yīng)變量與平臺(tái)中上述參數(shù)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用Pro/E的Parameter和Relation以及Program對(duì)三維模型進(jìn)行模型重構(gòu)；采用Pro/E面向?qū)ο蠹夹g(shù)的開發(fā)工具包Pro/TOOKIT，利用VC++高級(jí)開發(fā)語(yǔ)言，建立模型參數(shù)與外部程序之間的會(huì)話機(jī)制，完成參數(shù)外部讀寫以及模型格式轉(zhuǎn)化功能；采用Pro/E面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)工具包VB API，利用VB高級(jí)開發(fā)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)異步模式的Pro/E程序調(diào)用以及模型的打開、再生、保存等功能。

渦輪泵集成設(shè)計(jì)子系統(tǒng)的圖形和底層數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用了CAD原始格式，后續(xù)集成設(shè)計(jì)仿真分析過(guò)程所用到的模型、分析結(jié)果也與CAD模型集成和關(guān)聯(lián)。渦輪泵三維造型模塊的功能實(shí)現(xiàn)生成了渦輪泵設(shè)計(jì)過(guò)程的主要結(jié)果也為后續(xù)仿真分析工作提供了原始模型文件，同時(shí)提供了各系統(tǒng)在CAD基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和模型關(guān)聯(lián)的條件，進(jìn)而不斷對(duì)各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行綜合，更改、評(píng)估、權(quán)衡和優(yōu)化液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案。

三維造型子流程、界面和集成系統(tǒng)中Pro/E造型結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 三維造型流程、界面Fig.3 Flow path and interface of 3D modeling

圖4 Pro/E集成三維造型實(shí)現(xiàn)Fig.4 Result of three-dimensional integrated Pro/E modeling

5 后處理功能集成實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)分析過(guò)程是將三維造型后的零件手動(dòng)提取數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再手動(dòng)將網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析工具進(jìn)行分析。集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)常用CAE工具的集成封裝，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格生成、邊界條件設(shè)置、材料設(shè)置、求解配置、計(jì)算等功能，將CAE分析步驟作為一種模塊化的組件，從而規(guī)范化CAE分析流程，提高了分析過(guò)程效率。

發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中典型的處理過(guò)程如下圖所示。首先，系統(tǒng)將CAD模型自動(dòng)導(dǎo)入到具體的CAE分析環(huán)境中；然后，根據(jù)網(wǎng)格劃分粒度等參數(shù)，自動(dòng)調(diào)用CAE軟件網(wǎng)格劃分模塊對(duì)導(dǎo)入的CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得網(wǎng)格文件；設(shè)置與CAE分析相關(guān)的材料、約束和載荷等屬性信息，生成求解模型；最后，將求解模型加載到具體的分析求解器上進(jìn)行計(jì)算，從而獲得計(jì)算結(jié)果。CAE工具封裝過(guò)程如圖5所示。

圖5 CAE工具封裝處理步驟Fig.5 Package processing steps of GAE tool

以渦輪泵零件——誘導(dǎo)輪為例簡(jiǎn)要介紹集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)中后處理功能的實(shí)現(xiàn)。

5.1 誘導(dǎo)輪流體分析

根據(jù)誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)流程將誘導(dǎo)輪流體分析模板分為誘導(dǎo)輪網(wǎng)格劃分、誘導(dǎo)輪流體計(jì)算及誘導(dǎo)輪流體后處理3個(gè)子模板：

誘導(dǎo)輪網(wǎng)格劃分子模板：在網(wǎng)格劃分工具（Gambit）中，根據(jù)導(dǎo)入的誘導(dǎo)輪CAD模型，確定計(jì)算流體流動(dòng)區(qū)域，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并定義邊界條件類型。

誘導(dǎo)輪流體計(jì)算子模板：根據(jù)計(jì)算工況和計(jì)算網(wǎng)格，應(yīng)用CFD工具（Fluent軟件）進(jìn)行誘導(dǎo)輪流體計(jì)算，得到流場(chǎng)分布情況和受力情況。

誘導(dǎo)輪流體后處理子模板：將誘導(dǎo)輪流體計(jì)算得到的結(jié)果在Tecplot軟件中展示。

5.2 誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)分析

誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)分析模板分為誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)計(jì)算和誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)后處理2個(gè)子模板：

誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)計(jì)算子模板：根據(jù)從上游模板接收到的三維模型和流體分析的壓力載荷，調(diào)用FEA工具（ANSYS軟件）對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、材料屬性設(shè)置、設(shè)置邊界條件和求解。

誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)后處理子模板：將誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的結(jié)果在Tecplot軟件中展示。

流體后處理集成實(shí)現(xiàn)結(jié)果和結(jié)構(gòu)后處理結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 誘導(dǎo)輪流體后處理實(shí)現(xiàn)結(jié)果Fig.6 Fluid post-processing result of inducer

圖7 誘導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)后處理實(shí)現(xiàn)結(jié)果Fig.7 Structure post-processing result of inducer

6 模板生成報(bào)告文檔

渦輪泵設(shè)計(jì)分析報(bào)告模板分為報(bào)告解析和報(bào)告生成2個(gè)子模板。設(shè)計(jì)分析報(bào)告模板應(yīng)用Word功能組件解析上游模板將設(shè)計(jì)流程模板數(shù)據(jù)流傳遞到該模板的各個(gè)參數(shù)，替換已經(jīng)預(yù)置在報(bào)告文檔中相應(yīng)參數(shù)，自動(dòng)生成整個(gè)誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)流程的分析報(bào)告。

7 結(jié)束語(yǔ)

基于集成設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)建立的渦輪泵設(shè)計(jì)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的有效管理和控制；通過(guò)集成化、模塊化設(shè)計(jì)，減少液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的人工重復(fù)勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方案的快速設(shè)計(jì)，提高了工作效率；通過(guò)多方案對(duì)比和多學(xué)科優(yōu)化提高了方案的設(shè)計(jì)質(zhì)量；為方案的設(shè)計(jì)奠定數(shù)字化支撐環(huán)境，縮短了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制周期和設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)周期。

面對(duì)日益增長(zhǎng)的研制任務(wù)、面對(duì)日益緊迫的研發(fā)周期，通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程的數(shù)字化、信息化搶時(shí)間、提效率，集成設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)的建立改變了原有分裂的設(shè)計(jì)格局，提供了一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)可以說(shuō)是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模式的一次數(shù)字化革命。

[1]朱寧昌.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：宇航出版社,1994.

[2]白曉瑞.液體火箭推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué),2008.

[3]解紅雨.固體火箭分布式集成設(shè)計(jì)平臺(tái)及其關(guān)鍵技術(shù)[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué),2006.