航天器桁架結構快速設計方法研究論文
航天器桁架結構快速設計方法研究論文
引言
桁架具有淨空間值高、受運載包絡限制少等優點，多為高次超靜定結構且剛度和整體性較好，因而越來越多地作為主承力結構應用到航天器結構中，且其結構形式呈現大型化、複雜化的發展趨勢。
當前，隨著航天事業的快速發展，航天器結構設計面臨著‘‘設計約束多樣、迭代更新頻繁、週期控制困難”的局面。而在傳統設計模式下，桁架設計不僅需經過概念設計、詳細設計等多個階段迭代，設計工作量大且週期冗長m。同時，由於參照關係和裝配關係複雜多樣，常出現桁架結構基礎資料修改而導致模型再生失敗的現象,大大影響了設計效率，無法滿足“快速響應設計約束、迭代更新高效”的需求。因此，亟需採用新的技術方法來提升桁架結構設計效率，促進桁架結構的應用和發展。
本文針對傳統桁架結構設計的弊端，基於自頂向下(Top-)own)模式和參照柔性相關思想，提出了航天器桁架結構快速設計方法。實際應用驗證表明,航天器桁架結構快速設計方法邏輯關係明確，簡便實用,能夠實現結構元件自動建立和裝配，快速響應外部約束並自適應更新，確保設計狀態的迭代有效可控，能顯著提升桁架結構設計效率，可推廣應用於航天器桁架結構設計。
1航天器桁架結構快速設計基本原理
相對而言,桁架構型複雜、部件繁多、連線關係多樣，如何實現管控構型、自動建立部件、快速裝配是桁架設計的關鍵，而基於Top-)own模式,運用參照柔性相關的裝配方法和多級骨架模型能夠有效解決這些問題，實現桁架結構的快速設計和更新。
1.1基於Top-Down模式的桁架結構設計
Top-)own模式要求先進行系統全域性設計,使全域性設計能夠初步滿足設計約束要求，而後才在全域性設計的框架下進行詳細設計，其本質上是設計資料從系統頂部傳遞到底端的過程。這種模式符合漸進設計過程和人員思維方式,且因自上而下的資訊傳遞可以有效地適應外部需求變化而進行結構設計重構，極大地便利了設計狀態的迭代和更新。
Pro/E軟體提供了多種形式的資料傳遞方法實現Top-Down模式設計,骨架模型是其中較為常用的一種。骨架模型通常由基準面、基準線、基準座標系和外形曲面組成，能夠直觀地表達空間包絡約束和與設計有關的特徵。透過骨架模型，一方面在設計初期就能夠確定設計意圖,定義初步的產品結構，另一方面可利用骨架模型傳遞資訊的能力,將設計意圖傳遞貫穿系統設計的全過程，便於自上而下的引數化設計變更[2。
對於航天器桁架結構而言，運用自頂向下設計模式，建立桁架系統自上而下的骨架模型,利用骨架模型作為資訊傳遞載體,在概念設計階段透過對總體佈局、外部參照等進行抽象和空間幾何構建，將產品的功能規劃轉化為產品設計需求,反映產品的空間佈局、拓撲關係等&],進而使產品設計趨於清晰，便於設計模型的確立；其次，基於自頂向下的資訊傳遞和繼承，設計意圖和約束能夠充分貫穿整個系統，輔以骨架模型驅動的產品引數化設計和變更，既能夠非常方便地透過對上層基本骨架的調整來實現對下層設計的調整和修改，又不會影響到整個產品的裝配關係，降低了設計模型迭代更新失敗的風險。
1.2參照柔性相關
雖然基於自頂向下模式採用骨架模型進行資料資訊傳遞，能夠便捷地傳遞和繼承約束資訊，加強系統控制能力，但在詳細設計過程中，仍存在著一個不容迴避的事實，即基於Top-Down模式的設計將在設計模型中引入複雜直接參照關係，一旦出現元件替換、增刪等情況，原有參照關係中的某一參照源就可能丟失,進而使設計狀態失控，引發一系列問題。
為了確保設計狀態有效可控，需要在自頂向下的設計過程中對各個層級參照源和參照關係進行歸併和統一，避免形成複雜參考關係，保證設計狀態的獨立性和參照關係傳遞的準確性。
從Pro/E軟體的設計思想上來看，參照是Pro/E全引數化建模的靈魂，其本質是特徵或元件的定位標識，系統根據這些標識構件特徵或定位元件。基於參照的本質，運用“參照柔性相關”的設計思想，在資料資訊傳遞過程中，從骨架模型外部新增與骨架模型中參照源柔性相關的新參照源並進行傳遞。透過骨架模型和柔性參照兩者的結合，不僅能夠對設計模型的參照源進行歸併和統一，簡化內部參照關係，還能借助全面統一的基礎參照，發揮骨架模型對設計狀態的控制，確保設計狀態的獨立性,減少設計再生失敗的現象。
2航天器桁架結構快速設計方法
按照Top-Down模式,航天器桁架結構的設計過程分為結構全域性設計、多級骨架模型建立、部件自動建立與裝配設計3個環節。
2.1結構全域性設計
航天器桁架結構的裝配層級通常為“系統-艙段-部件”。基於Top-Down模式的結構全域性設計主要針對系統和艙段進行,是確定桁架包絡空間、構型的關鍵步驟。典型的結構全域性設計流程如圖1所示。
結構全域性設計主要包括：
1)設計約束匯入。全域性設計的約束主要有外部參照、總體佈局等，通常以基準座標系、基準線、基準面和空間幾何等形式反映到全域性設計中。這些約束資訊不僅表徵結構構型的佈局包絡、設計空間等資訊，還將作為系統頂級約束,在必要的時候向下級傳遞。
2)拓撲關係構造。在設計約束已知的前提下，透過對系統裝配層級的分解和子級包絡約束等，定義系統拓撲關係的構造，獲取系統裝配層級和子級包絡以及基本元件的空間分佈。
3)提取基礎資料描述。根據系統的拓撲關係，提取桁架接頭元件中心點，運用柔性參照相關的方法,基於基準座標系對中心點進行一致性描述，使其獲取柔性參照關係,形成結構空間構造的基礎資料描述，為後續骨架模型和部件建立與裝配等提供基礎參照。
2.2多級骨架模型建立
結構全域性設計獲取了桁架結構拓撲關係和空間構造的`基礎資料描述，而據此進行的多級骨架模型建立則是將全域性設計由模糊概念向清晰構型轉化的關鍵步驟。
在通常情況下，結構元件作為系統的基本單元不需要佈局骨架模型，骨架模型只需佈局於系統和艙段級。因此，桁架結構多級骨架模型建立主要包含系統級骨架模型建立和艙段級骨架模型建立2個方面。
1)系統級：建立結構系統骨架模型，定義系統的縱、橫向骨架模型。在系統級，主要圍繞系統拓撲關係開展骨架模型建立。為保證系統級骨架對系統模型具有足夠的控制能力，需在統一空間描述的基礎上，依據自頂向下的思路和結構拓撲關係，對子級骨架包絡進行分解和歸併，形成清晰明確的子級骨架連線關係和介面。
2)艙段級：繼承系統骨架模型，建立艙段級骨架模型。在艙段級，主要圍繞子級拓撲關係開展骨架模型建立。基於全域性設計階段形成的基礎資料描述和對系統級骨架模型充分的繼承，利用基礎資料描述和基準面、空間曲線等元素,建立艙段級結構骨架模型。在艙段級骨架建立過程中，依據中心點基礎參照,運用柔性參照相關的方法，透過引數化的接頭杆件偏離關係,標定杆件裝配區域性座標系，確保自上而下的骨架模型資訊傳導的正確性和控制能力，為後續部件建立和裝配設計提供了統一參照。典型的桁架結構多級骨架模型建立如圖2所示。
2.3部件設計與裝配設計
透過建立多級結構骨架模型，形成了具有足夠控制能力的多級骨架模型，使桁架構型逐步清晰。基於此，只需利用骨架模型的資訊，即可完成部件自動建立和裝配設計，實現桁架結構的實體化充實。
2.3.1桁架杆件和桁架接頭設計
由於艙段級骨架模型固化了桁架杆件的空間資訊，因而需要充分利用艙段級骨架標定的空間位置資訊，透過預置杆件模板，設計並建立骨架模型中特定曲線處的結構杆件。
在中心點基礎資料描述的基礎上，結合杆件與中心點之間的柔性參照關係以及骨架模型中定義的延伸方向，複製並向接頭設計空間對映杆件幾何截面資訊,透過簡單的實體特徵操作，即可以全自適應的方式快速設計和建立桁架接頭。
2.3.2裝配設計
避免過於複雜冗長的參照裝配關係，是實現桁架結構快速迭代更新的重要保證。為確保桁架結構元件參照裝配關係緊湊，充分利用自上而下的骨架對結構元件的有效控制，藉助於多級骨架模型和柔性參照關係,採用統一參照、座標系裝配的形式,使得元件在設計前已經具有配合關係。建立及裝配都在裝配關係中進行，元件之間擁有共同的基礎參照和一致的骨架模型，可有效地避免設計再生失敗。與此同時，由於骨架模型間接的表徵結構元件之間的裝配關係，因而在完成結構設計後，可以透過可變引數的調整，非常方便地引起結構元件的適應性調整，極大地便利了結構三維設計。
3航天器桁架結構快速設計應用
為簡化行文,本文以單一裝配層級的桁架結構為例，闡述桁架快速設計方法的應用。
3.1桁架結構的全域性設計
在桁架結構全域性設計階段,依次進行設計約束匯入、拓撲關係構造、基礎資料描述提取等步驟。
1)根據運載包絡、佈局需求等，抽象結構設計的外部約束,形成桁架結構統一的基礎參照等；
2)在設計空間內進行結構拓撲關係構造,獲取系統裝配層級和桁架接頭杆件的空間分佈；
3)基於統一的基礎參照，提取桁架接頭中心點並進行一致性描述，使中心點獲得區域性參照基準。
結構全域性設計最終形成的是桁架空間構造的基礎資料描述，主要包括基礎參照、中心點空間位置和一致性描述區域性參照基準等，具體如圖3所示。
3.2桁架結構多級骨架模型建立
根據全域性設計獲得的桁架結構基礎資料描述，利用曲線將中心點首尾連線形成空間曲線，代表桁架杆件空間位置。逐一連線各中心點，直至生成結構骨架模型。結構骨架模型包含基準座標系、基礎參照、桁架基礎資料描述和空間曲線等。典型的結構骨架模型如圖4所示。
為了確保自上而下的骨架模型資訊傳導的正確性和控制能力，將中心點作為部件的柔性裝配參照，建立結構杆件裝配區域性座標系（如圖5所示），設定該區域性座標系與接頭中心點區域性座標系之間的偏離關係。
3.3接頭杆件自適應建立與裝配設計
在前述結構骨架模型的基礎上，根據結構杆件裝配區域性座標系標定的空間位置，選擇杆件模板並建立骨架曲線處的結構杆件，複製並向接頭設計空間對映杆件截面幾何，形成接頭各通幾何截面,根據杆件裝配區域性座標系與接頭中心點區域性座標系之間的偏離關係，以全自適應的方式建立生成桁架接頭。杆件、接頭建立如圖6所示。
藉助於多層次骨架模型和柔性參照關係，採用預設座標系對齊裝配等形式，使得部件之間擁有共同的參照基準和骨架模型，可以有效地避免結構設計再生失敗，能保證骨架模型對桁架結構的有效控制。桁架結構設計完成後，僅調整骨架模型的可變引數，即可引起結構杆件和接頭的適應性調整。典型桁架結構的建立與裝配如圖7所示。
4結束語
針對傳統結構設計模式與當前航天器桁架結構快速設計需求的差距，本文基於Top-)own模式和參照柔性相關思想,提出了航天器桁架結構的快速設計方法。實際應用驗證表明：基於Top-Down設計模式,採用多級骨架模型和參照柔性相關的桁架結構設計方法，具有邏輯關係明確，簡便實用等特點，能夠實現部件自動建立和裝配，加快結構設計對外部約束的響應，能確保設計狀態的自適應更新有效可控，顯著提升航天器桁架結構設計效率，可推廣應用於航天器桁架結構設計。