單巍巍，劉 洋，呂世增，李 昂，丁文靜

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

空間環(huán)境模擬設備的功能是為航天器及其部組件提供真空熱試驗時的真空、冷黑及熱輻射環(huán)境，其中冷黑環(huán)境由熱沉和低溫系統(tǒng)來實現。20 世紀90 年代，空間環(huán)境模擬設備的研制數量少、周期長，其設計理念沿用傳統(tǒng)的單一系統(tǒng)獨立設計和研制，無法做到分系統(tǒng)協(xié)同設計；在設計成果上僅能運用理論公式計算并產生二維圖紙。隨著對空間環(huán)境模擬設備需求的日益增長以及計算機輔助分析技術的突飛猛進，這種傳統(tǒng)的設計模式和理念已遠遠不能滿足設計方和用戶的要求，而仿真建模和仿真分析成為最受關注的設計手段，在空間環(huán)境模擬設備研制中得到越來越多的應用。

本文詳細闡述仿真軟件在空間環(huán)境模擬設備低溫系統(tǒng)設計中的應用；針對參數化驅動設計方法，依托Inventor 軟件平臺，對熱沉系統(tǒng)進行協(xié)同設計平臺開發(fā)；最后對氮系統(tǒng)零件庫的動態(tài)擴充提出思考和建議。

1 軟件應用實例

1.1 FloMASTER 軟件

FloMASTER 軟件是用于一維系統(tǒng)設計的仿真平臺。在亞洲第三大空間環(huán)境模擬器KM8 的熱沉系統(tǒng)設計研制中，利用該軟件對熱沉整體結構進行一維仿真，將流體網絡簡化為一系列流體管道元件組成[1]；分別對筒體熱沉、頂部熱沉、活動熱沉和頸部熱沉等的液氮循環(huán)流量分配進行仿真計算。以一段筒體熱沉作為分析對象，其三維模型如圖1 所示。一共有20 片脹板，采用中間進/中間出的供回液結構，給定進口壓力和出口流量作為邊界條件，進行FloMASTER 的一維穩(wěn)態(tài)仿真計算，結果如圖2所示，圖中橫坐標為脹板序號，縱坐標為脹板內的液氮流量。可以看到，在最中間的脹板流量最大，兩側逐漸減小，基本呈對稱分布。

圖 1 熱沉組件三維模型Fig. 1 3D model of shroud assembly

圖 2 筒體熱沉流量分配結果Fig. 2 Distributions of flowrate of cylindrical shroud

對于活動熱沉，采用的是Z 形供回液模式，在給定進口壓力和出口流量的邊界條件下，得到如圖3所示的流量分配結果?？煽闯?，最中間的脹板流量最少，兩側逐漸增大，呈對稱分布。

圖 3 活動熱沉流量分配結果Fig. 3 Distribution of flowrate of the movable shroud

1.2 Fluent 軟件

運用Fluent 軟件，借助計算流體力學（CFD）原理和有限元方法對熱沉內部的流動和換熱進行仿真計算，得到熱沉壁面溫度分布。使用三維圖形處理軟件Pro/E 建立脹板熱沉的三維模型，并將該模型導入Fluent 自帶的網格劃分軟件進行網格劃分、生成網格文件，然后導入Fluent 求解器中。設置壓力和流量邊界條件，定義脹板為不銹鋼材料，選取求解策略，得到筒體熱沉、頂部熱沉、活動熱沉和頸部熱沉的壁面溫度分布仿真結果，如圖4所示。可以看出：伴隨液氮的整個流動方向，溫度逐漸升高；整個脹板的壁面溫度均低于100 K，達到技術要求。

圖 4 筒體熱沉、底部熱沉、活動熱沉和頸部熱沉的壁面溫度分布Fig. 4 Temperature distributions of the cylindrical shroud, the bottom shroud, the movable shroud and the auxiliary shroud

1.3 Pro/Engineer Mechanica

Pro/E 作為參數化建模軟件，可以快速建立直觀的三維立體模型。對于空間環(huán)境模擬器中的各種設備（如容器、熱沉等），運用Pro/E 建模都是很不錯的設計選擇。

同時，在CAE 方面，Pro/E Mechanica 具備分析機構運動和結構應力的能力。Pro/E Mechanica 的集成模式方便用戶直接采用Pro/E 的實體模型來進行結構分析，快速上手，節(jié)省二次建模時間。也就是說，通過Pro/E 前臺所建構的幾何模型，可完全轉換到Pro/E Mechanica 中進行結構/應力分析。Pro/E Mechanica Structure 專門用于零件和組件模式下的結構分析，其分析種類有靜態(tài)分析、模態(tài)分析、失穩(wěn)分析、接觸分析、預應力分析以及振動分析等。

在某大型空間環(huán)境模擬器熱沉結構設計中，首先使用Pro/E 進行熱沉的三維建模（如圖5 所示），然后借助Pro/E Mechanica 進行熱沉骨架的強度校核，結果見圖6 和圖7。

圖 5 熱沉部件的三維模型Fig. 5 3D model of each the shroud parts

圖 6 熱沉骨架工作狀態(tài)受力結果Fig. 6 Analysis result of stress of the heat sink skeleton under working condition

圖 7 骨架運輸狀態(tài)應力計算結果Fig. 7 Analysis result of stress of the heat sink skeleton during transportation

Pro/E 下的Piping 模塊也同樣具有很強的工程實力，可以進行管道系統(tǒng)的建模和設計，包括自定義管道庫和規(guī)范化管道庫驅動設計。在大中型空間環(huán)境模擬器系統(tǒng)管路設計中，已經運用Piping 模塊進行三維管道設計，通過參數驅動進行管道、閥門、法蘭等的創(chuàng)建和生成。首先對氮系統(tǒng)標準設備建模，裝配在設計位置；然后進入Piping 模式，進行管道布置，包括閥門、管接頭、法蘭等標準件的安裝和配置。圖8 為某大型空間環(huán)境模擬器氮系統(tǒng)的三維管路布局，根據圖中管道的不同顏色可以區(qū)分出其不同功能。另外，還可以通過三維管路模型統(tǒng)計出管道系統(tǒng)的各種參數，如管道規(guī)格、長度以及標準件等詳細信息。

圖 8 氮系統(tǒng)管路三維設計Fig. 8 3D design of piping for the nitrogen system

2 空間環(huán)境模擬設備參數化集成設計

無論在三維設計還是仿真計算中，建模往往是最耗費時間的，而空間環(huán)境模擬設備產品功能的相似性決定了其設計和研制在結構上有很大的繼承性和延續(xù)性。因此，如何實現參數化驅動，簡化建模工作、提高設計效率是今后設計工作的當務之急。另外，三維零件庫也是設計平臺中的重要組成部分——對于標準件，用戶僅需要從庫中提取即可實現快速裝配。因此，如何擴充三維零件庫也是需要研究的內容之一。

2.1 參數化集成設計方法

空間環(huán)境模擬設備包含容器系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等分系統(tǒng)，不同分系統(tǒng)的設計人員使用的設計軟件平臺也不盡相同，如Inventor、Pro/E、SolidWorks 等。當需要進行環(huán)境模擬設備各分系統(tǒng)整體裝配或進行設備布置時，不同的軟件平臺會造成無法對各分系統(tǒng)進行協(xié)同設計，從而導致重復性設計，影響了工作效率。

針對上述問題，對空間環(huán)境模擬設備各分系統(tǒng)及關鍵設備進行三維軟件的參數化驅動設計開發(fā)。根據參數化驅動設計理念，依托CAD/CAE 軟件和數據庫軟件進行二次開發(fā)，進行參數化建模設計，即：以Inventor 為開發(fā)平臺，使用C#為開發(fā)工具，開發(fā)出一款專門的空間環(huán)境模擬器數字化集成設計平臺。該平臺采用封裝隔離的方式，將Inventor的參數化相關功能進行封裝，并提供給上層模塊進行應用調用，可使軟件平臺上層模塊不依賴于所使用的CAD 軟件。各系統(tǒng)的具體參數化建模流程參見圖9。該數字化集成設計平臺支持從整體布局、結構設計到分析的自動化輔助設計，并能實現設計方案及報告的自動生成。

圖 9 空間環(huán)境模擬器數字化集成設計平臺軟件參數化建模流程Fig. 9 Flow chart of parameter driven modeling of the digital integrated platform for space simulator design

2.2 熱沉系統(tǒng)設備參數化驅動設計

參數化設計技術[2-5]的本質是在可變參數的作用下，零件或系統(tǒng)能夠自動保持其原來的所有不變參數或主要結構。參數化設計要求設計人員根據需求來建立這些參數的基本關系，使當某些參數的數值發(fā)生改變時，參數間的關系維持不變。這些建立起來的約束關系則體現了設計人員的設計思想和意圖。通過參數化來驅動關鍵尺寸完成三維模型設計，與傳統(tǒng)的二維設計相比有很大優(yōu)越性，可節(jié)省重復操作軟件的時間，編輯友好人機交互界面，降低專業(yè)軟件使用難度，更適合于結構一致但需要修改關鍵尺寸的產品，例如熱沉。

在提出在線參數化驅動零件設計的思路后，如何將成熟的產品參數抽取、總結成為驅動化參數對設計者來說是最關鍵的一步。以低溫系統(tǒng)中的熱沉為例。熱沉屬于非標零件，但同等尺寸系列和形式的熱沉又有著重要的共同特征；對于不同尺寸的熱沉，因為結構形式有其各自特點，不同尺寸的熱沉模型或設計圖紙不可通用、互換，因此有大量設計出圖工作需要不斷重復。如何提煉參數以便通過關鍵參數的驅動完成熱沉的基本三維模型設計是關鍵中的關鍵。圖10 所示為臥式熱沉的參數化驅動設計流程。圖11 為用戶與軟件的交互窗口，可以進行修改參數、重新生成模型等操作。圖12 為基于設計流程思想，依托數字化平臺軟件得到的熱沉三維模型。在這款開發(fā)軟件中，針對新的設計任務，設計人員不需要對熱沉脹板、骨架等零部件重新建模，僅需要對熱沉的關鍵參數進行輸入或修改，即可生成熱沉三維效果圖，大大節(jié)省了建模的時間，提升了工作效率。

圖 10 熱沉參數化驅動設計流程Fig. 10 Flowchart of parameter driving design of shrouds

圖 11 熱沉參數化驅動設計交互窗口Fig. 11 Interactive interface between user and software

圖 12 熱沉參數化驅動設計結果輸出Fig. 12 Output results of parameter driving design of shrouds

2.3 氮系統(tǒng)零件資源的動態(tài)擴充

對氮系統(tǒng)來說，既有標準件也有非標件。標準件主要指閥門（包括低溫手動閥和低溫氣動閥門）、泵、貯槽、壓縮機和傳感器等。對于標準件來說，零件庫的擴充需要跟上產品更新的速度。因此，更新標準件的零件庫是一項重要任務。

研究認為，關于三維零件的零件庫建立和擴充，模型模板和參數系列的數據存儲方法是比較節(jié)省系統(tǒng)維護和系統(tǒng)規(guī)模的一種方法[6]。以低溫氣動調節(jié)閥門為例，對于統(tǒng)一品牌和型號的氣動閥門，其外觀基本一致，只在閥門通徑上存在區(qū)別。故可在已經建立的零件庫中存入氣動閥的模型模板和參數列表，若想生成同類型不同通徑尺寸的氣動閥，則調用數據庫中的氣動閥模型模板，修改相應參數，以生成新的氣動閥門模型。

非標件主要是大量的不銹鋼金屬保溫管道。氮系統(tǒng)的設計工作主要集中在管道布置及流程設計上。如果通過傳統(tǒng)的掃描操作來實現管道設計，則管路的修改、替換等操作難于實現，會產生大量的重復性工作，造成效率低下、耗費時間長。因此，對于非標件來說，需要通過參數化驅動來實現管道的布置和修改等。如前所述，在大中型空間環(huán)境模擬器系統(tǒng)管路設計中，已經運用Pro/E 的Piping 模塊進行三維管道設計，取得了生動的三維效果。

然而，氮系統(tǒng)和其他分系統(tǒng)因為軟件平臺的不同而缺乏相互的信息共享和有效聯(lián)系。今后，應將各種軟件間的數據交互及信息共享作為提升設計能力，實現協(xié)同化設計工作的核心。

3 結束語

為縮短空間環(huán)境模擬設備的研制周期，快速響應各環(huán)境模擬設備的研制需求，各分系統(tǒng)的設計效率亟待提高。本文敘述并運用參數化設計的基本原理，通過對專業(yè)模型參數化技術的研究，給出參數化的各主要節(jié)點和驅動設計流程；并以熱沉系統(tǒng)的參數化設計為例，驗證了設計流程的有效性。最后，對氮系統(tǒng)的零件庫動態(tài)擴充進行初步的探討，為將來深入研究奠定了基礎。