航天器桁架結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)方法研究論文
引言
桁架具有凈空間值高、受運(yùn)載包絡(luò)限制少等優(yōu)點(diǎn)，多為高次超靜定結(jié)構(gòu)且剛度和整體性較好，因而越來越多地作為主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用到航天器結(jié)構(gòu)中，且其結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)大型化、復(fù)雜化的發(fā)展趨勢。
當(dāng)前，隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨著‘‘設(shè)計(jì)約束多樣、迭代更新頻繁、周期控制困難”的局面。而在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下，桁架設(shè)計(jì)不僅需經(jīng)過概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等多個(gè)階段迭代，設(shè)計(jì)工作量大且周期冗長m。同時(shí)，由于參照關(guān)系和裝配關(guān)系復(fù)雜多樣，常出現(xiàn)桁架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)修改而導(dǎo)致模型再生失敗的現(xiàn)象,大大影響了設(shè)計(jì)效率，無法滿足“快速響應(yīng)設(shè)計(jì)約束、迭代更新高效”的需求。因此，亟需采用新的技術(shù)方法來提升桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率，促進(jìn)桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展。
本文針對傳統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的弊端，基于自頂向下(Top-)own)模式和參照柔性相關(guān)思想，提出了航天器桁架結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)方法。實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證表明,航天器桁架結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)方法邏輯關(guān)系明確，簡便實(shí)用,能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)元件自動(dòng)創(chuàng)建和裝配，快速響應(yīng)外部約束并自適應(yīng)更新，確保設(shè)計(jì)狀態(tài)的迭代有效可控，能顯著提升桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率，可推廣應(yīng)用于航天器桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
1航天器桁架結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)基本原理
相對而言,桁架構(gòu)型復(fù)雜、部件繁多、連接關(guān)系多樣，如何實(shí)現(xiàn)管控構(gòu)型、自動(dòng)創(chuàng)建部件、快速裝配是桁架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，而基于Top-)own模式,運(yùn)用參照柔性相關(guān)的裝配方法和多級(jí)骨架模型能夠有效解決這些問題，實(shí)現(xiàn)桁架結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)和更新。
1.1基于Top-Down模式的桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Top-)own模式要求先進(jìn)行系統(tǒng)全局設(shè)計(jì),使全局設(shè)計(jì)能夠初步滿足設(shè)計(jì)約束要求，而后才在全局設(shè)計(jì)的框架下進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，其本質(zhì)上是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)從系統(tǒng)頂部傳遞到底端的過程。這種模式符合漸進(jìn)設(shè)計(jì)過程和人員思維方式,且因自上而下的信息傳遞可以有效地適應(yīng)外部需求變化而進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重構(gòu)，極大地便利了設(shè)計(jì)狀態(tài)的迭代和更新。
Pro/E軟件提供了多種形式的數(shù)據(jù)傳遞方法實(shí)現(xiàn)Top-Down模式設(shè)計(jì),骨架模型是其中較為常用的一種。骨架模型通常由基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)坐標(biāo)系和外形曲面組成，能夠直觀地表達(dá)空間包絡(luò)約束和與設(shè)計(jì)有關(guān)的特征。通過骨架模型，一方面在設(shè)計(jì)初期就能夠確定設(shè)計(jì)意圖,定義初步的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，另一方面可利用骨架模型傳遞信息的能力,將設(shè)計(jì)意圖傳遞貫穿系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程，便于自上而下的參數(shù)化設(shè)計(jì)變更[2。
對于航天器桁架結(jié)構(gòu)而言，運(yùn)用自頂向下設(shè)計(jì)模式，建立桁架系統(tǒng)自上而下的骨架模型,利用骨架模型作為信息傳遞載體,在概念設(shè)計(jì)階段通過對總體布局、外部參照等進(jìn)行抽象和空間幾何構(gòu)建，將產(chǎn)品的功能規(guī)劃轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求,反映產(chǎn)品的空間布局、拓?fù)潢P(guān)系等&],進(jìn)而使產(chǎn)品設(shè)計(jì)趨于清晰，便于設(shè)計(jì)模型的確立；其次，基于自頂向下的信息傳遞和繼承，設(shè)計(jì)意圖和約束能夠充分貫穿整個(gè)系統(tǒng)，輔以骨架模型驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)和變更，既能夠非常方便地通過對上層基本骨架的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)對下層設(shè)計(jì)的調(diào)整和修改，又不會(huì)影響到整個(gè)產(chǎn)品的裝配關(guān)系，降低了設(shè)計(jì)模型迭代更新失敗的風(fēng)險(xiǎn)。
1.2參照柔性相關(guān)
雖然基于自頂向下模式采用骨架模型進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳遞，能夠便捷地傳遞和繼承約束信息，加強(qiáng)系統(tǒng)控制能力，但在詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中，仍存在著一個(gè)不容回避的事實(shí)，即基于Top-Down模式的設(shè)計(jì)將在設(shè)計(jì)模型中引入復(fù)雜直接參照關(guān)系，一旦出現(xiàn)元件替換、增刪等情況，原有參照關(guān)系中的某一參照源就可能丟失,進(jìn)而使設(shè)計(jì)狀態(tài)失控，引發(fā)一系列問題。
為了確保設(shè)計(jì)狀態(tài)有效可控，需要在自頂向下的設(shè)計(jì)過程中對各個(gè)層級(jí)參照源和參照關(guān)系進(jìn)行歸并和統(tǒng)一，避免形成復(fù)雜參考關(guān)系，保證設(shè)計(jì)狀態(tài)的獨(dú)立性和參照關(guān)系傳遞的準(zhǔn)確性。
從Pro/E軟件的設(shè)計(jì)思想上來看，參照是Pro/E全參數(shù)化建模的靈魂，其本質(zhì)是特征或組件的定位標(biāo)識(shí)，系統(tǒng)根據(jù)這些標(biāo)識(shí)構(gòu)件特征或定位組件。基于參照的本質(zhì)，運(yùn)用“參照柔性相關(guān)”的設(shè)計(jì)思想，在數(shù)據(jù)信息傳遞過程中，從骨架模型外部添加與骨架模型中參照源柔性相關(guān)的新參照源并進(jìn)行傳遞。通過骨架模型和柔性參照兩者的結(jié)合，不僅能夠?qū)υO(shè)計(jì)模型的參照源進(jìn)行歸并和統(tǒng)一，簡化內(nèi)部參照關(guān)系，還能借助全面統(tǒng)一的基礎(chǔ)參照，發(fā)揮骨架模型對設(shè)計(jì)狀態(tài)的控制，確保設(shè)計(jì)狀態(tài)的獨(dú)立性,減少設(shè)計(jì)再生失敗的現(xiàn)象。
2航天器桁架結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)方法
按照Top-Down模式,航天器桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程分為結(jié)構(gòu)全局設(shè)計(jì)、多級(jí)骨架模型創(chuàng)建、部件自動(dòng)創(chuàng)建與裝配設(shè)計(jì)3個(gè)環(huán)節(jié)。
2.1結(jié)構(gòu)全局設(shè)計(jì)
航天器桁架結(jié)構(gòu)的裝配層級(jí)通常為“系統(tǒng)-艙段-部件”�；赥op-Down模式的結(jié)構(gòu)全局設(shè)計(jì)主要針對系統(tǒng)和艙段進(jìn)行,是確定桁架包絡(luò)空間、構(gòu)型的關(guān)鍵步驟。典型的結(jié)構(gòu)全局設(shè)計(jì)流程如圖1所示。
結(jié)構(gòu)全局設(shè)計(jì)主要包括：
1)設(shè)計(jì)約束導(dǎo)入。全局設(shè)計(jì)的約束主要有外部參照、總體布局等，通常以基準(zhǔn)坐標(biāo)系、基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)面和空間幾何等形式反映到全局設(shè)計(jì)中。這些約束信息不僅表征結(jié)構(gòu)構(gòu)型的布局包絡(luò)、設(shè)計(jì)空間等信息，還將作為系統(tǒng)頂級(jí)約束,在必要的時(shí)候向下級(jí)傳遞。
2)拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)造。在設(shè)計(jì)約束已知的前提下，通過對系統(tǒng)裝配層級(jí)的分解和子級(jí)包絡(luò)約束等，定義系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系的構(gòu)造，獲取系統(tǒng)裝配層級(jí)和子級(jí)包絡(luò)以及基本元件的空間分布。
3)提取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)描述。根據(jù)系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系，提取桁架接頭元件中心點(diǎn)，運(yùn)用柔性參照相關(guān)的方法,基于基準(zhǔn)坐標(biāo)系對中心點(diǎn)進(jìn)行一致性描述，使其獲取柔性參照關(guān)系,形成結(jié)構(gòu)空間構(gòu)造的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)描述，為后續(xù)骨架模型和部件創(chuàng)建與裝配等提供基礎(chǔ)參照。
2.2多級(jí)骨架模型創(chuàng)建
結(jié)構(gòu)全局設(shè)計(jì)獲取了桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系和空間構(gòu)造的`基礎(chǔ)數(shù)據(jù)描述，而據(jù)此進(jìn)行的多級(jí)骨架模型創(chuàng)建則是將全局設(shè)計(jì)由模糊概念向清晰構(gòu)型轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵步驟。
在通常情況下，結(jié)構(gòu)元件作為系統(tǒng)的基本單元不需要布局骨架模型，骨架模型只需布局于系統(tǒng)和艙段級(jí)。因此，桁架結(jié)構(gòu)多級(jí)骨架模型創(chuàng)建主要包含系統(tǒng)級(jí)骨架模型創(chuàng)建和艙段級(jí)骨架模型創(chuàng)建2個(gè)方面。
1)系統(tǒng)級(jí)：創(chuàng)建結(jié)構(gòu)系統(tǒng)骨架模型，定義系統(tǒng)的縱、橫向骨架模型。在系統(tǒng)級(jí)，主要圍繞系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系開展骨架模型創(chuàng)建。為保證系統(tǒng)級(jí)骨架對系統(tǒng)模型具有足夠的控制能力，需在統(tǒng)一空間描述的基礎(chǔ)上，依據(jù)自頂向下的思路和結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系，對子級(jí)骨架包絡(luò)進(jìn)行分解和歸并，形成清晰明確的子級(jí)骨架連接關(guān)系和界面。
2)艙段級(jí)：繼承系統(tǒng)骨架模型，創(chuàng)建艙段級(jí)骨架模型。在艙段級(jí)，主要圍繞子級(jí)拓?fù)潢P(guān)系開展骨架模型創(chuàng)建�；谌衷O(shè)計(jì)階段形成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)描述和對系統(tǒng)級(jí)骨架模型充分的繼承，利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)描述和基準(zhǔn)面、空間曲線等元素,創(chuàng)建艙段級(jí)結(jié)構(gòu)骨架模型。在艙段級(jí)骨架創(chuàng)建過程中，依據(jù)中心點(diǎn)基礎(chǔ)參照,運(yùn)用柔性參照相關(guān)的方法，通過參數(shù)化的接頭桿件偏離關(guān)系,標(biāo)定桿件裝配局部坐標(biāo)系，確保自上而下的骨架模型信息傳導(dǎo)的正確性和控制能力，為后續(xù)部件創(chuàng)建和裝配設(shè)計(jì)提供了統(tǒng)一參照。典型的桁架結(jié)構(gòu)多級(jí)骨架模型創(chuàng)建如圖2所示。
2.3部件設(shè)計(jì)與裝配設(shè)計(jì)
通過創(chuàng)建多級(jí)結(jié)構(gòu)骨架模型，形成了具有足夠控制能力的多級(jí)骨架模型，使桁架構(gòu)型逐步清晰。基于此，只需利用骨架模型的信息，即可完成部件自動(dòng)創(chuàng)建和裝配設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)桁架結(jié)構(gòu)的實(shí)體化充實(shí)。
2.3.1桁架桿件和桁架接頭設(shè)計(jì)
由于艙段級(jí)骨架模型固化了桁架桿件的空間信息，因而需要充分利用艙段級(jí)骨架標(biāo)定的空間位置信息，通過預(yù)置桿件模板，設(shè)計(jì)并創(chuàng)建骨架模型中特定曲線處的結(jié)構(gòu)桿件。
在中心點(diǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)描述的基礎(chǔ)上，結(jié)合桿件與中心點(diǎn)之間的柔性參照關(guān)系以及骨架模型中定義的延伸方向，復(fù)制并向接頭設(shè)計(jì)空間映射桿件幾何截面信息,通過簡單的實(shí)體特征操作，即可以全自適應(yīng)的方式快速設(shè)計(jì)和創(chuàng)建桁架接頭。
2.3.2裝配設(shè)計(jì)
避免過于復(fù)雜冗長的參照裝配關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)桁架結(jié)構(gòu)快速迭代更新的重要保證。為確保桁架結(jié)構(gòu)元件參照裝配關(guān)系緊湊，充分利用自上而下的骨架對結(jié)構(gòu)元件的有效控制，借助于多級(jí)骨架模型和柔性參照關(guān)系,采用統(tǒng)一參照、坐標(biāo)系裝配的形式,使得元件在設(shè)計(jì)前已經(jīng)具有配合關(guān)系。創(chuàng)建及裝配都在裝配關(guān)系中進(jìn)行，元件之間擁有共同的基礎(chǔ)參照和一致的骨架模型，可有效地避免設(shè)計(jì)再生失敗。與此同時(shí)，由于骨架模型間接的表征結(jié)構(gòu)元件之間的裝配關(guān)系，因而在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，可以通過可變參數(shù)的調(diào)整，非常方便地引起結(jié)構(gòu)元件的適應(yīng)性調(diào)整，極大地便利了結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)。
3航天器桁架結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)應(yīng)用
為簡化行文,本文以單一裝配層級(jí)的桁架結(jié)構(gòu)為例，闡述桁架快速設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用。
3.1桁架結(jié)構(gòu)的全局設(shè)計(jì)
在桁架結(jié)構(gòu)全局設(shè)計(jì)階段,依次進(jìn)行設(shè)計(jì)約束導(dǎo)入、拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)造、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)描述提取等步驟。
1)根據(jù)運(yùn)載包絡(luò)、布局需求等，抽象結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的外部約束,形成桁架結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的基礎(chǔ)參照等；
2)在設(shè)計(jì)空間內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)造,獲取系統(tǒng)裝配層級(jí)和桁架接頭桿件的空間分布；
3)基于統(tǒng)一的基礎(chǔ)參照，提取桁架接頭中心點(diǎn)并進(jìn)行一致性描述，使中心點(diǎn)獲得局部參照基準(zhǔn)。
結(jié)構(gòu)全局設(shè)計(jì)最終形成的是桁架空間構(gòu)造的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)描述，主要包括基礎(chǔ)參照、中心點(diǎn)空間位置和一致性描述局部參照基準(zhǔn)等，具體如圖3所示。
3.2桁架結(jié)構(gòu)多級(jí)骨架模型創(chuàng)建
根據(jù)全局設(shè)計(jì)獲得的桁架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)描述，利用曲線將中心點(diǎn)首尾連接形成空間曲線，代表桁架桿件空間位置。逐一連接各中心點(diǎn)，直至生成結(jié)構(gòu)骨架模型。結(jié)構(gòu)骨架模型包含基準(zhǔn)坐標(biāo)系、基礎(chǔ)參照、桁架基礎(chǔ)數(shù)據(jù)描述和空間曲線等。典型的結(jié)構(gòu)骨架模型如圖4所示。
為了確保自上而下的骨架模型信息傳導(dǎo)的正確性和控制能力，將中心點(diǎn)作為部件的柔性裝配參照，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)桿件裝配局部坐標(biāo)系（如圖5所示），設(shè)置該局部坐標(biāo)系與接頭中心點(diǎn)局部坐標(biāo)系之間的偏離關(guān)系。
3.3接頭桿件自適應(yīng)創(chuàng)建與裝配設(shè)計(jì)
在前述結(jié)構(gòu)骨架模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)桿件裝配局部坐標(biāo)系標(biāo)定的空間位置，選擇桿件模板并創(chuàng)建骨架曲線處的結(jié)構(gòu)桿件，復(fù)制并向接頭設(shè)計(jì)空間映射桿件截面幾何，形成接頭各通幾何截面,根據(jù)桿件裝配局部坐標(biāo)系與接頭中心點(diǎn)局部坐標(biāo)系之間的偏離關(guān)系，以全自適應(yīng)的方式創(chuàng)建生成桁架接頭。桿件、接頭創(chuàng)建如圖6所示。
借助于多層次骨架模型和柔性參照關(guān)系，采用缺省坐標(biāo)系對齊裝配等形式，使得部件之間擁有共同的參照基準(zhǔn)和骨架模型，可以有效地避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)再生失敗，能保證骨架模型對桁架結(jié)構(gòu)的有效控制。桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，僅調(diào)整骨架模型的可變參數(shù)，即可引起結(jié)構(gòu)桿件和接頭的適應(yīng)性調(diào)整。典型桁架結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建與裝配如圖7所示。
4結(jié)束語
針對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式與當(dāng)前航天器桁架結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)需求的差距，本文基于Top-)own模式和參照柔性相關(guān)思想,提出了航天器桁架結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)方法。實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證表明：基于Top-Down設(shè)計(jì)模式,采用多級(jí)骨架模型和參照柔性相關(guān)的桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，具有邏輯關(guān)系明確，簡便實(shí)用等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)部件自動(dòng)創(chuàng)建和裝配，加快結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對外部約束的響應(yīng)，能確保設(shè)計(jì)狀態(tài)的自適應(yīng)更新有效可控，顯著提升航天器桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率，可推廣應(yīng)用于航天器桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
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