虚拟样机技术研究及其在固体火箭发动机一体化设计中的初步实践

虚拟样机技术研究及其在固体火箭发动机一体化设计中的初步实践 虚拟样机技术研究及其在固体火箭发动机一体化设计 中的初步实践 在固体火箭发动机设计领域，许多先进的CAD/CAE软件得到广泛的应用，CAD/CAE软件应用为提高设计自动化水平，提高设计效率和设计质量起到积极 推动作用。但对发动机总体设计效率的提高并没有预期的那么显著，其原因在于 以下两点： 其一，固体火箭发动机设计过程是一项复杂多学科多用户协作的反复迭代过 程，在提高部门自动化水平后，形成部门信息化孤岛，发动机设计效率提高的瓶 颈在于不同学科领域、不同设计人员、不同工具及模型之间交互的困难，具体体 现在工程师不得不在信息获取、维护设计数据的一致性上花费大量时间。 其二，在固体火箭发动机设计领域，工程师所利用的应用工具及相应计算模 型和数据模型极其复杂，加上设计 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 本身固有的复杂性，使得应用之间的交互 及对整体设计过程的控制非常困难，设计者之间难以交流设计情况，使得整个系 统总体设计效率低下。 因此，有必要在固体火箭发动机设计过程中引入并行设计、虚拟样机等现代 设计理念，以期获得更高安全性、可靠性，更短设计周期、更少设计花费。 1 虚拟样机技术 传统的产品设计过程，从新产品研制到产品批量生产，需制作多个产品物理 原型，但是物理原型特别是具有产品内在功能的原型，其设计周期长、成本高。 九十年代以来，随着计算机技术、信息技术、仿真技术和计算机集成制造技术 （CIMS）的迅速发展，虚拟原型在产品设计和制造中显示出越来越重要的作用。 虚拟原型（Virtual Prototype，VP），即数字化模型（digital mock-up）是产品物理原型的计算机仿真，是根据产品设计信息或概念描述产生的在功能、 行为以及感官（视觉、听觉、触觉等）特性方面与实际产品尽可能相似的可仿真 数字模型。 虚拟样机（Virtual Prototyping）是建立（Construction）和应用（Testing）虚拟原型的过程。包括虚拟原型建模与仿真、虚拟原型设计评价及其他支撑技术 如集成设计环境技术、信息集成技术、网络通讯技术等。 协同虚拟样机技术（Collaborative Virtual Prototyping）是在分布的环境下，多领域专家协作建立和应用虚拟原型的方法，它是并行设计、协同设计与 虚拟样机技术的综合。 2 虚拟样机技术的应用 虚拟样机技术的目的是尽可能逼真虚拟产品的物理原型，因此虚拟样机研究 具有鲜明的领域特色。 1 当前国际上对虚拟样机技术研究主要集中在以下四个方向： 第一种是面向虚拟现实的虚拟样机，强调数字模型在感观特性方面与实际产 品的一致性，可以通过数据手套、头盔等对虚拟原型进行实际操作，验证原型外 在特性和内部功能及性能等，主要应用在消费类电子、通讯产品及医学等领域， 如芬兰的VTT实验室研究的手机虚拟原型。 第二种是面向行为、结构仿真的虚拟样机，或称为机械系统仿真，强调数字 模型在行为及结构方面与实际产品的一致性，主要是利用虚拟原型仿真产品的几 何和运动特性，通过原型可视化进行产品外形设计、布局设计、可达性设计、运 动和动力学仿真、装配仿真等，主要应用于机械设计领域。典型的应用是机械系 统仿真软件Adams。 第三种是面向并行工程的虚拟样机，强调从概念、设计、 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 到可制造性等 阶段连续的计算机仿真，目的是减少设计反复，缩短产品研制周期，降低成本， 主要应用在航空航天、船舶等领域，有代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 性的实例是Boeing公司Boeing 777 客机和西克斯基飞机公司的科曼奇武装直升机研制，采用虚拟原型技术后，前者 比起以往飞机设计，减少了94%的花费，减少了93%的设计更改，后者减少了11590小时飞行测试时间，节约经费总计六亿七千三百万美元，获得巨大经济效 益。 第四种是面向国防工业虚拟采办的虚拟样机。强调虚拟原型在虚拟环境中功 能与实际产品的一致性，如美国国防部联合建模和仿真系统（简称J-MASS）， J-MASS体现了对新型武器系统研制进行全寿命周期管理的思想，是协同虚拟样 机技术在虚拟采办领域的一个典型应用。 ３ 固体火箭发动机虚拟样机技术 虚拟样机技术是仿真技术、信息技术和各种计算机辅助技术的集成化综合应 用，涉及的领域极其广泛，包括建模技术、管理技术、仿真技术、CAX技术等。 固体火箭发动机虚拟样机属于上述虚拟样机应用中的第三种，即面向并行工程的 虚拟样机，将虚拟样机技术应用于产品从概念设计、详细设计直至可制造性分析 的全过程，以期缩短设计周期，降低成本。固体火箭发动机虚拟样机具有其突出 的领域特点。 ３．１ 以数字化产品模型为基础 传统的建模方法，如二维几何建模、三维几何建模、特征建模、集成建模等主要集中在 产品几何信息的描述上，对虚拟原型这样的复杂系统，模型信息和种类大大拓宽了，包含了 许多非几何信息，尤其是系统的动态行为信息。这就要求对这些模型进行有效描述、组织和 管理，给用户提供一个逻辑上一致的公共产品信息模型，使不同设计领域工程人员可基于它 获得相应的产品信息，并可对其进行创新性开发设计活动。 虚拟原型主要强调采用数字原型技术，对产品各种性能如外形结构、功能、可装配性、 可靠性等进行仿真，实现CAX/DFX集成，从而加快开发速度，缩短产品开发周期。虚拟原 型对产品建模和模型描述提出了更高的要求： (1) 虚拟原型需要综合考虑产品设计中的几何、材料、热力学及结构等信息，还需要考 虑设计过程中的约束信息等； (2) 基于虚拟原型的设计过程是一个多领域协同和多过程并行活动，需要具有独立于领 域和过程的中性描述模型和语言； 2 (3) 基于虚拟原型的设计过程是一个基于VP进行并行设计和仿真的过程，要求模型是 产品结构、功能和行为的统一体； (4) 虚拟原型是一个多领域、多学科的统一体，要求模型支持多视图统一描述和多视图 映射。 ３．２ 系统集成是关键 固体火箭发动机设计是一个复杂大系统设计，其全生命周期设计包括了需求分析、概念 设计、详细设计、制造、维护等阶段，每个阶段都涉及到气体动力学、材料科学、热力学、 结构有限元分析、机械设计等多个学科，涉及到的学科领域跨度较大，各种计算模型及数据 模型较为复杂，并且模型之间具有异构性。设计在不同过程之间反复迭代反馈，设计变量之 间互为因果。基于虚拟原型的发动机设计从信息集成、模型集成到应用集成都有一定困难。 信息集成：固体发动机集成设计环境中信息集成是指将原来分散的各自依据设计经验及 工具进行分系统设计的IPDT（Integrated Product Design Team）通过计算机支持协同工作（CSCW）集成到一个分布设计环境中，各IPDT之间通过网络和数据库维护一个统一产品 模型，其中一个IPDT对产品的设计更改可以被其它IPDT迅速感知，并做出相应更改。各参与发动机设计人员可根据自身权限，通过网络访问或修改数据库中的各种资源。 模型集成：包括产品数据模型集成及产品设计过程模型集成，前者指多领域产品视图模 型应能有效集成，构建虚拟样机，作为用户间关于产品设计信息交互的基础，后者指能够构 建发动机设计过程模型，实现设计过程管理，主要强调在正确的时间、以正确的方式把正确 的信息传递给正确的人。 应用集成：不同的设计工具、分析算法、商业软件及仿真系统能够交互，包括底层模型 和应用间的互操作。这些工具封装在一个集成环境中，使发动机设计工作主要集中于收集实 际系统信息，构建设计过程。 基于产品模型的信息集成定义了数据的形式和内容，以面向对象模型和关系数据库的形 式表现设计对象；设计过程模型定义了数据应在什么情况下分发给合适的对象，过程模型将 设计数据模型与设计活动集成起来，利用数据模型在设计活动之间交换信息；信息集成和应 用集成是过程集成的前提和基础。 ３．３ 以集成化设计环境为支撑 基于虚拟原型的发动机设计涉及大量数据、模型、工具、流程及人员，集成设计环境支 持对其进行高效组织和管理，使其优化运行，实现信息集成与过程集成，支持分布式协同工 作，实现异构数据交换，并通过工作流管理实现版本控制、冲突协调、约束管理及产品开发 流程管理。 固体火箭发动机虚拟原型集成设计环境具有如下特点： (1) 管理的信息内容繁杂，不仅包括产品信息，还包括产品开发过程描述信息、控制信 息以及支持产品优化设计的资源信息和各种工程知识信息； (2) 数据对象关系复杂，既有适合存放于关系数据库（RDB）中的层次关系实体，又 有适合存放于文件系统中的文件对象，还有面向对象数据库（OODB）管理的网状 关系实体； (3) 信息发布与版本控制要求严格，不仅要支持信息的预发布、发布、信息反馈，还应 支持对象的状态跟踪、版本控制以及过程更改等； (4) 要求提供产品开发团队管理与集成化、并行化的过程管理环境； (5) 异地分布式协同仿真要求提供模型管理、仿真运行管理等。 ３．４ 以协同仿真为目标 3 协同仿真技术是指异地、分布的建模和仿真分析人员可在一个协同、互操作 的环境中方便、快捷和友好地采用各自领域的专业分析工具对构成系统的各子系 统进行建模与仿真分析，并透明地支持他们参与整个系统的联合仿真，协作完成 对系统仿真的一种复杂系统仿真方法。协同仿真既包括时间上对产品生命周期的 单点仿真分析，亦强调同一时间点上，基于不同人员/工具对同一产品对象在系统层面上的联合仿真分析。 集成设计环境中基于虚拟原型的固体火箭发动机协同仿真呈现出以下特点： (1) 系统是由分布的、不同工具所设计的模型组成的模型联合体，包括CAD 模型，各种性能仿真模型（Ansys、Fluent等）； (2) 对发动机的零部件或者整机的性能、功能、成本等分析涉及多学科、多 领域，学科领域之间从数据到模型存在异构性，需要工程设计、建模仿 真与可视化技术的有机结合； (3) 分布交互：仿真人员访问异地分布的数据资源；人员异地之间交流；仿 真人员操作异地的仿真工具；仿真工具访问分布的数据资源；仿真工具 之间异地互操作。 ４ 固体火箭发动机一体化集成设计系统体系结构 固体火箭发动机一体化集成设计系统由发动机虚拟样机管理平台、发动机协 同设计支撑平台、发动机协同仿真平台、可视化平台、底层数据库构成，如图1 所示。虚拟样机管理平台管理发动机设计过程产生的模型、数据、流程、文档等 信息，包括项目管理、工作流管理、团队及组织管理等模块；协同设计平台提供 一个协同设计环境，该环境集成发动机设计常用应用程序，包括自行开发的软件 和商用软件；协同仿真平台在集成发动机设计各种CAX/DFX工具集和协同仿真算法，对协同设计平台设计结果进行外观、功能、行为及性能的建模与仿真，包 括单学科领域建模与仿真如结构、流场等及多学科协同建模与仿真；可视化环境 对在协同仿真环境中产生的数据进行渲染，从外观和功能上展示样机信息；底层 数据库保存发动机产品主模型、各分系统模型、环境模型及发动机设计过程中产 生的各种数据。 4 可视化平台 CAD模型显示 仿真结果可视化可视化评估交互视觉渲染 协同设计平台协同仿真平台可视化数据底层数据库需求分析单学科领域仿真-结构、流场等概念设计虚拟样机模型-可装配性分析设计描述仿真模型-可制造性分析-模型数据多学科优化-文档数据 -项目数据样机模型仿真结果多学科协同仿真特征造型-分布、协同建模-管理数据-学科集成与互操-环境数据单学科分析作-结构、流场、动详细设计力学耦合仿真等 过程信息系统管理平台 项目管理 工作流管理管理与监控管理与监控 团队及组织管理 文档管理 ５ 虚拟样机技术在固体火箭发动机一体化设计中的初步实践 固体火箭发动机一体化集成设计的本质就是利用计算机生产出“数字化固体 火箭发动机”，数字化技术是一个跨学科的综合性技术，包括产品数字化定义、 仿真、可视化、虚拟现实、数据集成及优化等。作者在背景预研项目的支持下， 采用先进的J2EE软件架构，初步构建起一个支持发动机虚拟样机的集成框架， 如图2所示。该集成框架支持发动机设计部门在分布环境下协同、并行设计，并 支持基于虚拟原型的仿真和设计评价。 5 用户层用户/人机界面 需求分析工作流管理 项目管理文档管理样协机同方案设计产品决策管设过程跟踪与监产品结构管理理计控平平台协同设计引擎...台冲突协调... 实体造型视觉渲染热力学分析结构分析协可同视三维实体网络仿化可靠性分析流场分析多媒体真集成平台层平发布平台台可制造性分析...虚拟装配... 技术支撑层共性中间件（Web/RTI/XML/JDBC） 信息集成层关系数据库/模型库/遗留信息系统等６ 结束语 虚拟样机技术是一种全新技术，包含着先进的设计理念，虚拟样机应用于固 体火箭发动机方案设计与验证、详细设计、测试与评估、生产与维护等方面，可 有效减少设计反复、缩短开发周期、降低设计费用、提高设计成功率及提高可靠 性和安全性。虚拟样机技术与固体火箭发动机设计技术结合具有重要的研究价值 和广阔的应用前景。 6