秦紅強(qiáng)，張相盟，張曉光，王 猛

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

基于自頂向下模式的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型設(shè)計(jì)

秦紅強(qiáng)，張相盟，張曉光，王 猛

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

基于自頂向下設(shè)計(jì)模式，在Pro/E和Intralink平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型設(shè)計(jì)。采用多層骨架設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型，實(shí)現(xiàn)了組合件發(fā)布骨架模型并行設(shè)計(jì)，提高了工作效率。通過將組合件空間位置、輪廓尺寸、接口方位和接口結(jié)構(gòu)要求包含在骨架模型中，用骨架模型替代了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中的二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化接口協(xié)調(diào)，提高了接口協(xié)調(diào)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。研究結(jié)果表明，基于自頂向下模式的骨架模型設(shè)計(jì)可顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)研制效率，降低研制成本。

自頂向下模式；液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；并行設(shè)計(jì)；骨架模型；接口協(xié)調(diào)

0　引言

隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)、并行設(shè)計(jì)工程理念的發(fā)展，三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)與制造正在從根本上動(dòng)搖著傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制模式[1-2]。

在目前的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，發(fā)動(dòng)機(jī)總體通過二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求明確各組合件的輪廓尺寸、接口方位和接口形式等要求，在得到組合件三維模型后才能開展發(fā)動(dòng)機(jī)詳細(xì)布局方案設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)模式雖然可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)總體與組合件的接口協(xié)調(diào)，但信息傳遞和交換比較麻煩且實(shí)時(shí)性差，很容易出現(xiàn)組合件設(shè)計(jì)方案和發(fā)動(dòng)機(jī)總體要求不一致的現(xiàn)象，研制周期較長(zhǎng)。

本文結(jié)合某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)三維數(shù)字化協(xié)同研制現(xiàn)狀，論述了基于自頂向下模式的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型設(shè)計(jì)方案、流程和無(wú)紙化接口協(xié)調(diào)成果等，促進(jìn)了新型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制模式的推廣。

1　自頂向下設(shè)計(jì)

目前大多數(shù)機(jī)械產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)仍沿用傳統(tǒng)的自底向上設(shè)計(jì) (Bottom-Up)方法。在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，沒有發(fā)揮產(chǎn)品總體的統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)作用，一些重要的設(shè)計(jì)信息、裝配關(guān)系沒有得到建立和控制，很容易造成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案反復(fù)，研制效率較低。

自頂向下設(shè)計(jì) (Top-Down)是一種高效的、與設(shè)計(jì)流程高度契合的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法能有效把握設(shè)計(jì)意圖，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)清晰，便于在產(chǎn)品總體與各組合件之間迅速可靠地傳遞設(shè)計(jì)信息[3-8]。它與傳統(tǒng)的自底向上設(shè)計(jì) (Bottom-Up)相比更適合復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路。

2　發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型設(shè)計(jì)

2.1骨架模型

骨架模型是一種特殊的Pro/E文件，一般僅包含參考平面、軸線、點(diǎn)、坐標(biāo)系和曲面等。它勾畫了產(chǎn)品的空間位置、輪廓尺寸和接口形式等，是組件設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的重要參考[7]。

骨架模型具有模塊化設(shè)計(jì)，表達(dá)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)自頂向下設(shè)計(jì)的強(qiáng)有力工具[2]。

2.2平臺(tái)選擇及工作流程

為了開展骨架模型設(shè)計(jì)和便于與火箭總體進(jìn)行結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)，某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制中選擇了PTC公司的Pro/E 4.0作為CAD設(shè)計(jì)軟件，并采用Intralink作為數(shù)據(jù)管理和協(xié)同共享平臺(tái)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員首先利用Pro/E軟件在工作區(qū)內(nèi)完成模型設(shè)計(jì)，然后通過檢入操作將數(shù)據(jù)上傳至Intralink服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)載入和共享。模型發(fā)生修改時(shí)，首先將其檢出到工作區(qū)，完成修改后再執(zhí)行檢入操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新，具體工作流程見圖1。

圖1　工作流程Fig.1　Working process

2.3發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型方案選擇

對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，產(chǎn)品總體骨架模型一般為一個(gè)模型文件，它里面包含了對(duì)所有零部組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。由于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組件數(shù)量多，若將所有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求集中在一個(gè)模型中，既不便于發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型設(shè)計(jì)、完善、更改和管理，也無(wú)法開展各組合件骨架模型的并行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效率嚴(yán)重降低。

為了簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型，同時(shí)便于并行開展各組合件骨架模型設(shè)計(jì)，某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用了多層骨架模型設(shè)計(jì)方案，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型進(jìn)行了細(xì)化分解。如圖2所示，發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型為一個(gè)組件模型文件，它下面包含了發(fā)動(dòng)機(jī)位置骨架模型和所有組合件發(fā)布骨架模型。采用該方案后，發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型的結(jié)構(gòu)變得更加清楚。各組合件發(fā)布骨架模型也可單獨(dú)、并行設(shè)計(jì)，同時(shí)也方便了組合件設(shè)計(jì)人員接收總體要求。單獨(dú)的組合件發(fā)布骨架模型還可以直接用于衍生型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型設(shè)計(jì)中，提高研制效率[8]。

圖2　發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure of engine skeleton model

2.4發(fā)動(dòng)機(jī)位置骨架設(shè)計(jì)

位置骨架是發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型的核心，更是發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型裝配的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。位置骨架是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計(jì)的，主要用于明確各組合件的空間安裝位置和定位要求。位置骨架主要包含發(fā)動(dòng)機(jī)與火箭總體的對(duì)接安裝坐標(biāo)系、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)零點(diǎn)坐標(biāo)系和各組合件安裝及定位坐標(biāo)系等。

在發(fā)動(dòng)機(jī)位置骨架中，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)零點(diǎn)坐標(biāo)系最為重要，它是整個(gè)位置骨架的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，并決定了組合件安裝坐標(biāo)系的定義方式。一般應(yīng)結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局方案和裝配方案選擇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)零點(diǎn)坐標(biāo)系的位置及方向定義，其余組合件安裝坐標(biāo)系均直接或間接參考發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)零點(diǎn)坐標(biāo)系進(jìn)行設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)位置骨架與發(fā)動(dòng)機(jī)總體布局方案緊密相關(guān)，一般由負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局方案論證的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)和完善。

2.5組合件發(fā)布骨架模型設(shè)計(jì)

組合件發(fā)布骨架模型用于明確發(fā)動(dòng)機(jī)總體對(duì)各組合件的輪廓尺寸、接口方位和接口結(jié)構(gòu)尺寸等設(shè)計(jì)要求，也是發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。組合件發(fā)布骨架模型不是一次就完成設(shè)計(jì)，需要發(fā)動(dòng)機(jī)總體與組合件之間進(jìn)行多輪次的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)。通過建立組合件發(fā)布骨架模型，實(shí)現(xiàn)了用骨架模型傳遞組合件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，完成了發(fā)動(dòng)機(jī)總體與組合件之間的無(wú)紙化接口協(xié)調(diào)，提高了接口協(xié)調(diào)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

圖3　閥門發(fā)布骨架模型Fig.3　Valve issuing skeleton model

組合件發(fā)布骨架模型的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容一般包括：

1)定義組合件安裝坐標(biāo)系；

2)組合件輪廓尺寸要求；

3)對(duì)外接口坐標(biāo)系定義；

4)對(duì)外接口具體連接形式設(shè)計(jì)；

5)定義發(fā)布幾何；

6)三維標(biāo)注；

7)其它設(shè)計(jì)要求。

都可作為大飯店、小門臉的對(duì)聯(lián)，既淺白明了，又有招徠顧客的作用，可謂言簡(jiǎn)意賅。節(jié)日大家在烹制美味的時(shí)候，留意一些烹調(diào)對(duì)聯(lián)，自然妙不可言。

組合件發(fā)布骨架模型設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）組合件安裝坐標(biāo)系應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)位置骨架中的安裝坐標(biāo)系保持一致；

2）所有對(duì)外接口應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的定位坐標(biāo)系，便于后續(xù)模型裝配和總裝管路設(shè)計(jì)；

3） 定義發(fā)布幾何時(shí)只選擇明確發(fā)動(dòng)機(jī)總體對(duì)組合件具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的特征元素，不包含建模過程中的輔助定義特征；

4） 三維標(biāo)注僅針對(duì)組合件輪廓尺寸、接口方位、接口尺寸和其余結(jié)構(gòu)要求。

圖3為按照上述要求完成的某閥門發(fā)布骨架模型。

基于自頂向下設(shè)計(jì)模式，最終完成的某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型見圖4。實(shí)踐表明該研制模式可以大幅提高研制效率，降低研制成本。

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型Fig.4　Engine skeleton model

3　組合件骨架模型設(shè)計(jì)

組合件在得到發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和組合件發(fā)布骨架模型后，便可開展詳細(xì)方案設(shè)計(jì)。在組合件進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)結(jié)合組合件發(fā)布骨架模型和組合件結(jié)構(gòu)方案建立組合件骨架模型，具體流程如下：

1）建立空的組合件骨架模型；

2）從組合件發(fā)布骨架模型中復(fù)制發(fā)布幾何；

3）細(xì)化和完善組合件骨架模型；

4）定義下級(jí)零部組件發(fā)布幾何。

組合件骨架模型設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1） 復(fù)制幾何時(shí)一般應(yīng)只復(fù)制發(fā)布幾何，不再?gòu)?fù)制其余特征元素；

2） 當(dāng)組合件發(fā)布骨架模型出現(xiàn)更改時(shí)，組合件骨架模型應(yīng)及時(shí)更新以得到最新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，并對(duì)組合件骨架模型進(jìn)行完善和更改；

3）若組合件結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，參照發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型設(shè)計(jì)方案將組合件骨架模型設(shè)計(jì)成多層骨架。

4　結(jié)論

在Pro/E和Intralink設(shè)計(jì)平臺(tái)上，基于自頂向下設(shè)計(jì)模式，采用多層骨架設(shè)計(jì)方案，完成了某液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架模型設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：

1） 自頂向下設(shè)計(jì)模式符合復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，可有效發(fā)揮產(chǎn)品總體的統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)作用，提高產(chǎn)品研制效率；

2） 多層骨架設(shè)計(jì)方案可以簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)骨架模型，并便于實(shí)現(xiàn)組合件骨架并行設(shè)計(jì)；

3） 骨架模型可以完全替代傳統(tǒng)研制模式中的二維發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，快速、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)總體與組合件之間的無(wú)紙化接口協(xié)調(diào)，降低研制成本；

4） 基于自頂向下的骨架模型設(shè)計(jì)可推廣應(yīng)用于其它型號(hào)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。

[1]陳月根.航天器數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的新趨勢(shì)分析[J].航天器工程,2007,16(4):64-69.

[2]李飛,章樂平,王志勇,等.航天器數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),2013,324(1):71-74.

[3]李健.產(chǎn)品設(shè)計(jì)的BOTTOM-UP和TOP-DOWN設(shè)計(jì)方法研究[J].機(jī)械工程師,2013(12):47-48.

[4]崔瓊瑤,齊從謙.基于參數(shù)化技術(shù)的自頂向下設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,30(9):1087-1090.

[5]張書亭.自頂向下協(xié)同產(chǎn)品設(shè)計(jì)框架和方法研究[D].杭州:浙江大學(xué),2009.

[6]柯常忠,謝少波.基于參數(shù)化技術(shù)的自頂向下設(shè)計(jì)[J].中國(guó)制造業(yè)信息化,2007,36(3):50-53.

[7]毛君,陳洪月,謝苗.基于Pro/E的自頂向下的產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2007,20(4):102-103.

[8]甘屹,齊從謙.基于頂層基本骨架裝配模型的產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2006,23(5):5-7.

[9]程奇峰,馬勝利,向路,等.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境研究[J].火箭推進(jìn),2003,29(2):17-23. CHENG Qifeng,MA Shengli,XIANG Lu,et al.Study on the development environment for collaborative design of liquid rocket engine[J].Journal of rocket propulsion,2003, 29(2):17-23.

[10]李亞杰,何陽(yáng).三維工藝與MES在航天發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化制造中的應(yīng)用研究[J].火箭推進(jìn),2015,41(2):90-97. LI Yajie，HE Yang.Application of 3D process and MES in digitalization manufacture of space engine[J].Journal of rocket propulsion,2015,41(2):90-97.

（編輯：王建喜）

Design of liquid rocket engine skeleton model based on top-down mode

QIN Hongqiang,ZHANG Xiangmeng,ZHANG Xiaoguang,WANG Meng
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

Based on the top-down mode,the design of liquid rocket engine skeleton model was finished on the platform of Pro/E and Intralink.With the application of multi-layer skeleton design scheme,the engine skeleton model was simplified,the concurrent design of the assembly issuing skeleton model was realized and the work efficiency was greatly improved.The paperless interface coordination was achieved by replacing the 2D structure design requirement in traditional design mode with the skeleton model,in which the space position,overall dimension,interface orientation and interface structure requirement of the assembly were included.Meanwhile,the veracity and real-time performance of the interface coordination were improved.The research results indicate that the skeleton model design based on the top-down mode can remarkably increase the development efficiencyand decrease the development cost ofthe engine.

top-down mode;liquid rocket engine;concurrent design;skeleton model;interface coordination

V434-34

A

1672-9374(2016)04-0058-04

2015-07-20；

2015-10-13

國(guó)家863項(xiàng)目（2013AA7023021）

秦紅強(qiáng)（1983—），男，碩士，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)