姚 駿 王志瑾 袁金如

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基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)研究

姚 駿1，2王志瑾1袁金如2

（1. 南京航空航天大學(xué)，南京 210016；2. 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

提出了基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計(jì)方法，以整星主控骨架為統(tǒng)一源頭，將關(guān)鍵幾何尺寸與基準(zhǔn)縱向派生形成各專業(yè)骨架模型，利用各專業(yè)接口骨架模型實(shí)現(xiàn)接口信息橫向傳遞，由此開(kāi)展協(xié)同設(shè)計(jì)。該方法在某衛(wèi)星工程研制中得到了全面應(yīng)用，顯著提高了整星三維協(xié)同設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量控制水平，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

衛(wèi)星；三維協(xié)同設(shè)計(jì)；主控骨架

1 引言

衛(wèi)星構(gòu)型組成復(fù)雜、專業(yè)覆蓋廣泛，研制過(guò)程中技術(shù)狀態(tài)變更、迭代、優(yōu)化等高度交叉重疊，屬于典型的跨專業(yè)、跨領(lǐng)域、跨單位協(xié)同開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品[1]。

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，基于三維設(shè)計(jì)環(huán)境開(kāi)展的衛(wèi)星協(xié)同設(shè)計(jì)已經(jīng)全面應(yīng)用，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)信息依賴三維模型表達(dá)，使得三維數(shù)字化模型承載的設(shè)計(jì)信息日趨復(fù)雜和多樣[2～5]。總體構(gòu)型布局模型作為整星系統(tǒng)設(shè)計(jì)的頂層模型，需要承載傳統(tǒng)模式下表達(dá)各艙段組成及艙板搭接關(guān)系的整星構(gòu)型設(shè)計(jì)信息、星上設(shè)備布局狀態(tài)信息，同時(shí)需向各專業(yè)傳遞設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)狀態(tài)信息。這種集中而復(fù)雜的信息承載直接導(dǎo)致總體構(gòu)型布局模型所表達(dá)的信息、記錄的參數(shù)超量繁多，模型體量龐大，三維協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中極易出現(xiàn)因總體構(gòu)型布局模型承載超量設(shè)計(jì)信息而無(wú)法對(duì)整星狀態(tài)進(jìn)行有效快速的迭代修改和優(yōu)化調(diào)整，嚴(yán)重影響了總體與各專業(yè)的設(shè)計(jì)協(xié)同和信息交互，給衛(wèi)星研制帶來(lái)極高的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和隱患。

鑒于以上問(wèn)題，本文提出了基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計(jì)方法，以主控骨架為載體，利用外部復(fù)制幾何派生出各專業(yè)骨架模型，通過(guò)整星關(guān)鍵幾何尺寸與基準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主控骨架模型向各專業(yè)骨架模型的縱向快速修改迭代；基于各專業(yè)骨架模型，開(kāi)展布局設(shè)計(jì)并提取元件安裝接口信息，以各專業(yè)接口骨架模型為載體，進(jìn)行專業(yè)間接口信息橫向傳遞，降低了接口傳遞的模型體量。由此，形成了衛(wèi)星“縱”與“橫”兩個(gè)維度的主控骨架體系，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展各專業(yè)間的三維協(xié)同設(shè)計(jì)。

2 衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

三維協(xié)同設(shè)計(jì)是指總體及各專業(yè)在三維設(shè)計(jì)環(huán)境下進(jìn)行的分布式并行協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)表達(dá)、設(shè)計(jì)約束和設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)等三個(gè)核心要素。這三個(gè)核心要素反映到設(shè)計(jì)模式上，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是上下級(jí)設(shè)計(jì)表達(dá)之間的縱向控制關(guān)系；二是并行設(shè)計(jì)之間的橫向約束關(guān)系；三是各專業(yè)間可能產(chǎn)生設(shè)計(jì)沖突的協(xié)調(diào)關(guān)系。

當(dāng)前，衛(wèi)星總體負(fù)責(zé)整星構(gòu)型（骨架）和單機(jī)布局設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)、熱控、電路、推進(jìn)等專業(yè)基于整星構(gòu)型布局模型分別開(kāi)展衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、熱控、電纜網(wǎng)、推進(jìn)管路協(xié)同設(shè)計(jì)，最后由總體實(shí)現(xiàn)整星模型完整集成。其中，整星構(gòu)型和單機(jī)布局模型是耦合在一起的。整星協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，總體與各專業(yè)之間存在大量信息交互、迭代，各種技術(shù)狀態(tài)變化引起衛(wèi)星總體骨架經(jīng)常發(fā)生變更，導(dǎo)致各專業(yè)模型狀態(tài)不穩(wěn)定，繼而影響整星協(xié)同設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

從三維協(xié)同設(shè)計(jì)要素和模式上看，其本質(zhì)上歸屬于自頂向下設(shè)計(jì)理念范疇。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于自頂向下設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了不同程度的研究，特別是在多骨架模型方面取得了建設(shè)性的成果[6～8]?；诙喙羌苣Ｐ偷淖皂斚蛳略O(shè)計(jì)方法，即在產(chǎn)品橫向設(shè)計(jì)上采用多功能骨架模型，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分類管理，形成有效的設(shè)計(jì)參數(shù)受控發(fā)布；在產(chǎn)品縱向設(shè)計(jì)上采用多層次骨架模型，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分層控制，避免設(shè)計(jì)單元重用時(shí)的參照關(guān)系混亂。由此，在傳統(tǒng)的基于單一骨架作為傳遞設(shè)計(jì)意圖載體的基礎(chǔ)上，多骨架模型對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分類管理和分層控制，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的受控發(fā)布。但是，針對(duì)衛(wèi)星這種復(fù)雜的、特殊的系統(tǒng)性工程產(chǎn)品，重點(diǎn)需要突破總體與各專業(yè)、各專業(yè)之間直接協(xié)同設(shè)計(jì)的瓶頸，單純采用多骨架模型作為傳遞設(shè)計(jì)意圖載體，并不能完全解決設(shè)計(jì)過(guò)程中的迭代問(wèn)題。

3 基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計(jì)方法

本文提出的基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計(jì)方法，高度契合當(dāng)前衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的需求，在設(shè)計(jì)意圖的傳遞和交互上進(jìn)行縱深式和橫跨式的層級(jí)并行控制，在整星構(gòu)型布局模型基礎(chǔ)上剝離其所承載的具體設(shè)計(jì)信息及相應(yīng)的內(nèi)容和參數(shù)，統(tǒng)籌提取衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的核心信息并進(jìn)行頂層控制和約束，形成整星主控骨架體系并開(kāi)展三維協(xié)同設(shè)計(jì)。

3.1 基于主控骨架體系的縱向協(xié)同

在進(jìn)行跨專業(yè)的分布式協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，定義清晰明確的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，將這一設(shè)計(jì)基準(zhǔn)固化并傳遞至所有相關(guān)專業(yè)。

在傳統(tǒng)的自頂向下設(shè)計(jì)模式中，首先按照各專業(yè)劃分模塊，并在頂層模型或骨架模型中定義各專業(yè)接口關(guān)系；然后在一定層級(jí)的設(shè)計(jì)模型中進(jìn)行設(shè)計(jì)表達(dá)約定（包含幾何包絡(luò)、設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)規(guī)范等），主要載體形式為三維骨架或二維布局圖等。雖然這種方式較為直觀并能實(shí)現(xiàn)預(yù)定義，但由于信息承載量限制，通常只能應(yīng)用于關(guān)鍵設(shè)計(jì)信息的控制和傳遞。

通過(guò)對(duì)整星構(gòu)型設(shè)計(jì)要素的提取剝離，對(duì)原本作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和參數(shù)源頭的總體骨架模型進(jìn)行深度挖掘，將負(fù)責(zé)表達(dá)整星基準(zhǔn)、外形包絡(luò)、主承力結(jié)構(gòu)、艙板搭接關(guān)系和涉及專業(yè)間約束的穿艙孔等信息內(nèi)容予以整合，固化成主控骨架；同時(shí)，將總體專業(yè)骨架模型中承載星上設(shè)備布局狀態(tài)信息降維，形成總體專業(yè)骨架模型，如圖1所示。

圖1 主控骨架與專業(yè)骨架縱向傳遞關(guān)系

基于主控骨架模型體系，對(duì)整星設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行有效減負(fù)，確保設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的定義清晰明確；對(duì)總體專業(yè)骨架模型進(jìn)行降維，將原本高度耦合的設(shè)計(jì)表達(dá)予以解耦并分級(jí)區(qū)分，在主控骨架和總體專業(yè)骨架模型之間形成縱向控制關(guān)系，確保自頂向下的控制關(guān)系嚴(yán)格單向；對(duì)主控骨架模型進(jìn)行縱向控制，確保各專業(yè)間設(shè)計(jì)基準(zhǔn)來(lái)源統(tǒng)一，避免設(shè)計(jì)基準(zhǔn)傳遞混亂和失控。

3.2 基于主控骨架體系的橫向協(xié)同

橫向協(xié)同時(shí)，各專業(yè)詳細(xì)設(shè)計(jì)需要將其間存在的約束傳遞并在各自狀態(tài)中予以響應(yīng)。由于物理上的獨(dú)立分布，設(shè)計(jì)過(guò)程中各專業(yè)之間的交互協(xié)調(diào)往往不夠充分，且各專業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)程不一，相互之間的設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)不明確，多專業(yè)的平行設(shè)計(jì)難以開(kāi)展。在這種情況下，各專業(yè)間的雙向約束往往無(wú)法充分傳遞，極易引起本專業(yè)狀態(tài)確定后與其他專業(yè)產(chǎn)生設(shè)計(jì)沖突。

基于主控骨架體系進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，可以利用主控骨架所定義的單向統(tǒng)一設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，直接建立各專業(yè)平行設(shè)計(jì)狀態(tài)下的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境。將各專業(yè)輸入/輸出的接口信息進(jìn)行整合，一方面提取不占用物理接口的非空間占位信息，將該類信息在源模型中進(jìn)行相應(yīng)的特殊標(biāo)記并整合到各專業(yè)骨架模型中，借用各專業(yè)骨架模型作為傳遞載體實(shí)現(xiàn)各專業(yè)間的橫向約束傳遞；另一方面，按照分類原則收集各專業(yè)的各類接口信息，并將這些接口信息全部整合到各專業(yè)接口骨架模型中，以各專業(yè)接口骨架模型作為傳遞載體實(shí)現(xiàn)各專業(yè)間的橫向約束傳遞。從圖2看出，基于主控骨架體系的橫向協(xié)同，將各專業(yè)間設(shè)計(jì)約束信息的傳遞和交互，全部約束在利用主控骨架所定義的單向統(tǒng)一設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和各專業(yè)平行設(shè)計(jì)狀態(tài)下的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下，分別由接口骨架、接口模型作為載體實(shí)施。

圖2 基于主控骨架的橫向協(xié)同

4 基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用

4.1 主控骨架體系的建立和縱向控制

衛(wèi)星建立主控骨架體系，根據(jù)構(gòu)型特點(diǎn)將整星骨架模型劃分為整星、艙段、艙板三個(gè)層級(jí)，見(jiàn)圖3。

圖3 主控骨架分層表達(dá)的信息

整星骨架主要表達(dá)整星構(gòu)型、艙板構(gòu)型、艙段位置尺寸、艙板位置尺寸、艙板主要尺寸、承力筒主要尺寸等信息，如衛(wèi)星基準(zhǔn)坐標(biāo)、衛(wèi)星基準(zhǔn)面、衛(wèi)星輪廓、艙段基準(zhǔn)坐標(biāo)、承力筒輪廓、衛(wèi)星艙板輪廓、艙板厚度、搭接關(guān)系等。艙段骨架主要從整星骨架中繼承艙段所屬艙板構(gòu)型、艙板位置尺寸、艙板主要尺寸等信息來(lái)表達(dá)艙段的主要尺寸信息，如艙段基準(zhǔn)坐標(biāo)、承力筒骨架曲面、艙板骨架曲面、艙板厚度、搭接關(guān)系等。艙板骨架主要表達(dá)艙板細(xì)化的尺寸等信息，如艙板基準(zhǔn)坐標(biāo)、艙板開(kāi)口、穿艙孔、壓緊點(diǎn)安裝座等。

按照以上分層，既保證了信息的有效傳遞，又加強(qiáng)了關(guān)鍵信息的縱向控制，圖4為主控骨架模型的構(gòu)建過(guò)程。

圖4 主控骨架模型的構(gòu)建過(guò)程

4.2 主控骨架體系的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)分發(fā)

圖5 基于主控骨架派生的各專業(yè)模型

主控骨架作為其他五個(gè)專業(yè)的父級(jí)骨架，承擔(dān)整星的構(gòu)型工作。除體現(xiàn)幾何輪廓外，主控骨架模型還體現(xiàn)整星的艙段分配及裝配層級(jí)關(guān)系，梳理整星的拓?fù)潢P(guān)系如圖5所示，主控骨架模型有完整精確的衛(wèi)星輪廓尺寸，也有明確的層級(jí)裝配關(guān)系。主控骨架模型如進(jìn)行構(gòu)型調(diào)整，其他各專業(yè)的模型在構(gòu)型層面隨之更新；主控骨架模型如進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系調(diào)整，其他各專業(yè)的模型在拓?fù)潢P(guān)系層面可以更新。

4.3 主控骨架體系的橫向并行設(shè)計(jì)

基于主控骨架體系的多專業(yè)協(xié)同，各專業(yè)橫向設(shè)計(jì)之間也具有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。衛(wèi)星總體、電路、熱控、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)等專業(yè)同時(shí)作為主控骨架模型的直接子級(jí)，具有相同的構(gòu)型設(shè)計(jì)參照和接口信息。

橫向協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)非空間占位的接口信息進(jìn)行整理，如結(jié)構(gòu)艙板安裝孔開(kāi)孔信息、熱控噴漆避讓腳印信息等。將該類信息在源模型中進(jìn)行特殊標(biāo)記，以骨架模型作為傳遞載體來(lái)收集各類接口信息。由于接口骨架中只收集了必要的接口信息，摒棄了冗余信息，縮減了傳遞數(shù)據(jù)量，既降低了對(duì)計(jì)算機(jī)資源的要求，又避免冗余信息的干擾。

結(jié)構(gòu)艙板設(shè)計(jì)模型收集接口骨架中所包含的空間點(diǎn)集、曲面面組等信息，并直接向結(jié)構(gòu)部件實(shí)體化模型映射，通過(guò)三維特征編輯，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)部件自動(dòng)化實(shí)體模型創(chuàng)建，如圖6、圖7所示。

圖6 基于接口骨架的安裝接口信息提取

圖7 基于接口骨架開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的艙板模型

4.4 某型號(hào)應(yīng)用情況

基于主控骨架體系的衛(wèi)星三維協(xié)同設(shè)計(jì)方法，在某衛(wèi)星詳細(xì)工程設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用驗(yàn)證，圓滿實(shí)現(xiàn)了從整星到單機(jī)的自頂向下以及從單機(jī)到整星的自底向上的雙向數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)，涵蓋了總體布局、結(jié)構(gòu)、熱控、電纜網(wǎng)等多個(gè)專業(yè)。圖8為該衛(wèi)星基于主控骨架體系的三維協(xié)同設(shè)計(jì)模型。

圖8 某衛(wèi)星基于主控骨架體系的三維協(xié)同設(shè)計(jì)模型

5 結(jié)束語(yǔ)

某衛(wèi)星設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐表明，利用主控骨架體系開(kāi)展三維協(xié)同設(shè)計(jì)，有效加強(qiáng)了設(shè)計(jì)表達(dá)的傳遞和交互，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)表達(dá)的縱向控制、橫向并行和設(shè)計(jì)沖突的平抑調(diào)和，邏輯關(guān)系清楚，各級(jí)分工明確。

基于主控骨架體系的三維協(xié)同設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)上下游的高內(nèi)聚、設(shè)計(jì)專業(yè)間低耦合的狀態(tài)，適應(yīng)了“分布、并行、協(xié)同”的數(shù)字化要求，顯著提高了衛(wèi)星設(shè)計(jì)效率和工作質(zhì)量。目前該方法已在多個(gè)衛(wèi)星型號(hào)上成功應(yīng)用，可推廣應(yīng)用至其他航天器、飛機(jī)、船舶等大型復(fù)雜工程產(chǎn)品。

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Research on Three-dimensional Collaborative Whole-satellite Design Method Based on Master Control Skeleton System

Yao Jun1, 2Wang Zhijin1Yuan Jinru2

(1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016; 2. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109)

This paper elaborates on a three-dimensional collaborative whole-satellite design method based on a master control skeleton system. With the master control skeleton system as the uniform source, its key geometrical sizes and benchmarks can derive synchronously the skeleton models for all involved multiple specialties. With the master control skeleton system at the core of all the multi-specialty skeleton systems, the interfaces of each specialty’s skeleton system can be used to transfer interface information, which enables a three-dimensional collaborative design both horizontally and vertically. Such a method has been adopted comprehensively in a satellite design, which significantly improved the efficiency of the three-dimensional collaborative whole-satellite design and quality control. Therefore, it is worth wider applying.

satellite；three-dimensional collaborative design；master control skeleton

姚駿（1973），研究員，航天器工程專業(yè)；研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

2019-04-28