（航空宇航制造工程专业论文）基于tigems的卫星总体设计优化技术研究.pdf

摘要 摘要 卫星的总体设计是一个多学科权衡和优化的过程，需要在多个学科范围内、 从系统总体的角度去寻找最佳的方案。在卫星总体设计中，设计人员可以借助 c a d 系统进行卫星结构设计和分析，不仅大大提高了设计人员的工作效率，而 且减少了由于对图纸的不同理解而产生的差错。但是目前的大部分c a d 软件过 分强调系统的通用性，而忽略了设计对象本身的特点及设计过程，作为设计工具 的c a d 系统，设计效率的进一步提高过多地依赖设计人员的知识与经验。所以 需要面向具体行业与过程的c a d 系统来指导卫星的总体设计。国外已经在商用 c a d 软件基础上开发出了一系列成熟的用于总体优化设计或者结构优化设计的 平台，而国内还处于开发研制阶段，还没有成熟的优化平台来指导卫星的总体设 计。 针对以上问题，本文在国产三维c a d t i g e m s 的基础上，结合卫星任务 分析、构型设计、动力学分析、光压分析、质量特性等多专业综合设计，设计丌 发了一套卫星总体设计优化平台。本文的主要研究内容如下： 1 介绍了系统的需求分析与系统设计。针对用户提出的需求，进行了系统 的功能划分，并提出了系统的集成框架和内部接口，同时介绍了本文用到的相关 技术( x m l 技术和干i g e m s 二次开发技术) 。 2 针对卫星总体设计中对于卫星质量特性性能指标的要求，研究了卫星质 量特性分析的特点，分析了卫星质量特性计算的过程，并且分析了在t i g e m s 系统中卫星质量特性的分析流程、过程算法和运行实例，为用户提供了整星装配 体检查、质量特性计算和配重分析功能。 3 针对空问环境对于卫星总体设计的影响，介绍了太阳光压分析的特点、 数学原理和计算公式，分析了在t i g e m s 系统中卫星太阳光压计算的分析流程和 算法，并给出了卫星光压分析的运行实例，为用户提供了任务时间设置、运动部 件定义、面参数设置和光压计算等功能。 4 介绍了卫星太阳翼遮挡分析，研究了太阳翼遮挡分析的特点和曲面序列 互遮挡的算法，分析了在t i g e m s 系统中卫星太阳翼遮挡的分析流程和算法，并 给出了卫星太阳翼遮挡的运行实例，为用户提供了太阳翼遮挡计算功能。 关键字：t i g e m s ，质量特性，太阳光压，太阳翼遮挡 a b s t r a c t 一一一 a b s t r a c t s a t e l l i t eo v e r a l ld e s i g ni sa m u l t i d i s c i p l i n a r yt r a d e o f j ? a n do p t i m i z a t i o np r o c e s s i ns a t e l l h eo v e r a l ld e s i g n ，d e s i g n e rc a n p r o c e s sg t r u c t u r ed e s i g na n da n a l y s i sb yv i i r t u e o fc a d i tn o to n l yi m p r o v e st h ew o r ke m c i e n c y ，b u ta l s or e d u c e ss o m em i s t a k e sd u e t od i 腩r e n tu n d e r s t a n d i n gf o rd r a w i n g s b u tm o s to fc a d s y s t e me m p h a s i z es y s t e m c u r r e n c ya n dn e g l e c tt h ef u t u r ea n dp r o c e s so f j d e s i g no b j e c t t h ed e s i g ne 蕊c i e n c y d e p e n d so nd e s i g n e r sk n o w i e d g ea n de x p e r i e n c e s os a t e i i i t eo v e r a l ld e s i g nn e e d sa c a ds y s t e mf a c i n gi d i o g r 孕p h i cv o c a t i o na n dp r o c e s s a i m i n g a tt h e k e yt e c h n 0 1 0 9 yo fs a t e l 】i t eo v e r a d e s i g na n di n t e g r a t i o n d e v e l o p m e n to ff a c i n gd e s i g np r o c e s s ，t h i st h e s i sd e s i g n sa n dd e v e l o p sas a t e ll i t e o v e r a l l d e s i g np l a t f o r mc o m b i n i n gw i t hs a t e l l i t et a s ka n a l y s i s ，s t r u c t u r ed e s i g n ， d y n a m i c sa n a l y s i s ，s o l a rp r e s sa n a l y s i sa n dm a s sc h a r a c t e r i s t i c t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e ra sf o l l o w s ： f i r s t l y ，s y s t e mr e q u i r e m e n t sa n dd e s i g n t h ep a p e rc o m p a i r t m e n t a l i z e s3m a i n f u n c t l o n sb a s e do nc u s t o m e r sr e q u i r e m e n t ，a d v a n c e ss y s t e ms t r u c t u r ea n di n t e r n a l i n t e r f a c ea n di n t r o d u c e ss o m ec o n e l a t i v et e c h n o l o g y s e c o n d b ， s a t e l l i t em a s sc h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s t h e p a r ti n t r o d u c e st h e f e a t u r e ，m a t h e m a t i cp r i n c i p i u ma n dc a l c u l a t i o nf o 册u l ao fs a t e l l i t em a s s c h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s ，a n a l y s e s t h es a t e l l i t em a s sc h a r a c t e r i s t i c n o w sa n d a “t h m e t i c ，a n dd i s p l a y st h es y s t e mr u n n i n gi n s t a n c ei nt i g e m ss y s t e m i tp r o v i d e s s o m ef u n c t i o n sf o rc o n s u m e rs u c h a sa s s e m b l y c h e c k i n g ， m a s sc h a r a c t e r i s t i c c o m p u t i n ga n ds a t e l l i t em a t c hb a l a n c ec o m p u t i n g t h i r d l y ， t h es o l a rr a d i a t i o np r e s s u r e a n a l y s i s t h e p a r t i n t r o d u c e st h e f e a t u r e，m a t h e m a t i c p r i n c i p i u ma n dc a i c u l a t i o nf o m l u i ao ft h es o i a rr a d i a t i o n p r e s s u r ea n a l y s i s ， a n a l y s e st h es o l a rr a d i a t i o np r e s s u r e f l o w sa n da r i t h m e t i c d i s p l a y st h es y s t e mr u i u l i n gi n s t a n c ei nt i g e m ss y s t e m i tp r o v i d e ss o m e 如n c t i o n s f o rc o n s u m e rs u c ha st a s kt i m es e t t i n g ，m o v e m e n tc o m p o n e n t sd e 丘n i n g ，f a c e p a r a m e t e rs e t t i n ga n dt h es o l a rr a d i a t i o np r e s s u r ec o m p u t i n g l a s t l y ， t h es o l a rp a n e l so c c l u s i o n a n a l y s i s t h e p a ni n t r o d u c e st h e f e a t u r e ，m a t h e m a t i cp r i n c i p i u ma n dc a l c u l a t i o nf o m u l ao ft h es o l a rp a n e l so c c l u s i o n a n a l y s i s ，a n a l y s e st h es o l a rp a n e l so c c l u s i o nn o w sa n da r i t h m e t i c，d i s p l a y st h e l i 眄北工业大学硕士学位论文 a 1 1 a l y s i s ，a n a l y s e st h es o l a rp a l l e l s o c c l l l s i o nn o w sa n da r i t h m e t i c ，d i s p l a y st h e s y s t e mm n n i n gi n s t a l l c ei nt i g e m ss y s t e m i tp r o v i d e st h ef u n c t i o no ft 1 1 es o l a r p a n e l so c c l u s i o nc o m p u t i n g k e y w o r d s ：t i g e m s ，m a s sc h a r a c t e r i s t i c ，s o l a rr a d i a t i o np r e s s u r e ，s o l a rp a n e l s o c c j u s i o n i i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文l ：作 的知识产权单位属于西北r 业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采川影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为两北i ：业 人学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：名塑缸指导教师签名： 加 年) 月_ 日 劲7 年珊日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其它个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其它己申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人利集体，均已在文中以明确方式表明。 本人! 学1 1 奇：论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：盛壑丝 矿年；月tj 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1研究背景、目标及意义 研究背景 总体优化设计是指从系统观点出发，根据系统的目标和要求，巧妙地运用现 代科学技术的成就和资源环境条件，确定适当的系统，使其对空间、时间、物质、 能量和信息的利用率最高，从而最优地满足人们的要求。 优化设计是个相对的概念，随着科学技术的发展，资源和环境条件的变化， 其最优化的标准也会发生变化。也就是说，优化设计反映了人们对客观事物的认 识，它要求人们根据事物的客观规律，在一定的资源、环境和科学技术条件下， 充分发挥人的主观能动性，找出最优的设计方案，从而实现系统的优化设计。 总体优化设计一般采取如下的原则1 3 l ：总体最优原则、系统内各分系统协调 的原则、系统和外部环境协调的原则、合理处理备份的原则、合理处理低概率事 件原则和有效控制原则。 卫星总体构型是一个多学科设计优化的过程，从方案设想、任务分析开始， 贯穿于整个方案设计过程，并随着方案的细化，不断进行调整和细化。一般情况 下，构形布局设计的优化方法都是采用多方案比较的方式，通过干涉分析、质量 特性分析等多种分析手段，进行优化评估，从而确定一个比较满意的优化布局方 案。以卫星总体布局为例，必须考虑有效载荷对视场角要求，还必须考虑卫星的 力学特性、卫星质心、转动惯量、空间环境特性、热控特性、e m c 特性等对总体 布局的要求，这就需要用多学科优化设计( m d o ( m u l t i d i s c i p i n a r yo p t i m i z a t i o n ) ) 技 术来实现，参见图1 1 。目前在卫星总体构型分析中还普遍采用手工、实验及 估算的方式，只能进行很有限的方案比较和评估卫星。这种传统产品开发模式的 主要缺点在于不能在产品的歼发设计阶段就对其生命周期全过程中的各种因素 考虑周全，以至于在产品设计甚至制造出来后才发现存在的问题，因而延长了产 品开发的周期，增加了成本。现代产品开发要求有效地组织多学科的产品开发队 伍，充分利用各种计算机辅助工具，并有效地考虑产品开发与生产的全过程，从 而缩短产品开发周期，降低成本，提高质量，生产出满足用户需要的产品，使企 业在市场竞争中立于不败之地。 曲北i 业人。硕十学仿论文 面对我国国防建设和国民经济对空f 日j 技术的强烈需求，未来卫星任务数量的 急剧增加和性能指标的r 益提高，对卫星产品的研制进度、成本、质量要求越来 越苛刻，对我国卫星产品的综合研制能力提出了严峻的挑战。在这种形势下，在 y 图1 - l 总体布局优化关系图p 1 计算机上完成产品的丌发，通过对产品模型的分析，改进产品设计方案，在数字 状奁下进行产品的虚拟试验和制造，然后再对设计进行改进或完善的数字化产品 开发技术变得越来越重要。而卫星产品的数字化设计技术必须依赖具有自主知识 产权的国产计算机辅助工具，尤其是三维c a d 系统。因此，国产三维c a d 系 统的优劣、功能的完善与否，将直接影响我们国家卫星产品的研制能力。 近年来，国内在国家科技攻关和8 6 3 计划任务及其它渠道的支持下，跟踪国 外先进技术，在c a d c a m 原型系统开发、算法研究等方面取得了较大进展。 国内一些软件企业和高校已丌发出批三维c a d 系统，实现了商品化，拥有了 相当数量的用户，对市场和用户需求有了深入了解。另外，国产三维数字化设计 核心系统也已经初具雏形，但是与国外流行的三维核心系统相比，功能和性能上 第一章绪论 还有较大差距，急需改进和完善。 与国外c a d 软件一样，国产c a d 软件强调系统的通用性，而忽略了设计对 象本身的特点、设计过程，作为设计工具的c a d 系统，设计效率的进一步提高 过多地依赖设计人员的知识与经验。国外c a d 软件系统在产品设计过程中注重 零件设计和装配设计能力相关联的基础上，把焦点转移到产品设计特有过程的自 动化上，并已经认识到只提供某一系统单个领域内的方案并不会为缩短产品投放 市场的时问带来革命性的转变。实际上用户产品的设计过程是经过了许多年工业 知识的积累彳。总结出来的复杂的流程，需要把这些流程与c a d 系统有机地结合 在一起，这就自然地提出了面向行业与过程的c a d 系统，已成为目前国内外研 究丌发的热点。 本文针对卫星设计流程进行详细分析，着眼于卫星数字化设计中的关键技 术，通过面向设计过程的应用集成开发，继续丰富和完善具有自主知识产权的国 产三维c a d 系统t i g e m s ，形成面向卫星行业的国产三维c a d 系统。针对卫星 设计学科基础广泛的特点，以t i g e m s 为基础，结合卫星任务分析、总体性能 指标分解与综合、构型设计、动力学分析、光压分析、质量特性等多专业综合设 计，建立卫星总体构型设计、分析及优化平台，实现卫星构型的优化，提升卫星 的总体设计技术水平。 研究目标 针对卫星产品设计过程同趋复杂和反复迭代的特征，以t i g 叫s 设计软件为 基础，开展多学科设计优化技术在卫星方案阶段总体构型设计中的应用研究，建 立卫星总体构型设计分析优化平台，实现产品的干涉检查、光压分析、遮挡分 析、质量特性分析与总体布局的优化设计。 研究意义： 通过数字化产品造型与设计系统的应用，可提高产品和工程的设计效率和质 量，提高产品和工程在市场上的竞争能力。另外，数字化设计技术的研究开发和 广泛应用也促进了我国的软件产业，尤其是应用软件产业的建立和发展。这样不 仅可加速传统产业和产品的技术改造，还可促进软件产业的飞速发展。由此产生 的直接和间接经济效益是巨大的，其社会效益也是不可估量的。 通过基于卫星的多学科综合优化设计系统的应用，为卫星总体设计提供了有 力的支撑，提高了系统集成能力和系统优化水平，并对今后的先进卫星设计理念 和设计方法的应用，具有一定的指导意义。 3 西北r 业人学硕士学位论文 1 2国内外研究现状及其分析 1 2 1 计算机辅助技术的发展和应用 在卫星设计中，计算机已成为各级设计人员和管理人员必不可少的工具，大 到项目的研制流程的优化，小到某个具体产品的设计、分析，都离不丌计算机的 参与。计算机在卫星设计中的应用范围很广，它包括计算机辅助工程( c a e ) 、 计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工艺过程规划( c a p p ) 、计算机辅助制造 ( c a m ) 、计算机辅助测试( c a t ) 、产品数据管理( p d m ) 、直接数字仿真( d n s ) 、 计算机辅助创新( c a i ) 技术等内容。 尤其是计算机辅助设计技术的应用使过去难于完成的事情变成为现实。例 如，根据专业标准建造通用电连接器、标准管路接头、紧固件和标准减振器等通 用器件的数据库，为仪器设备实体造型创造必要的条件。为了加快卫星的研制速 度，需要不断提高通用化和标准化水平，也需要不断扩大各不同型号研制技术人 员之日】的技术交流，提高相互借鉴的机会。建造设计数扼库是一项基础工作，它 一方面可以满足正在研制卫星的白局与安装设计需要，同时，也叮以促进卫星的 整体设计水平；可以利用c a d 技术进行仪器设备三维实体造型，形成虚拟的仪 器设备和零部件，通过平移和旋转，把它们定位到指定的空间位置上；完成配冒 和和局后，就可以在此基础上进行管路和电缆的安装布局；c a d 模装可以对安 装过程进行仿真，进行安装过程的干涉检查，令被安装的仪器设备或零部件按指 定的运动轨迹运动，动念检查运动过程与周围壳体结构和仪器设备是否相碰或间 隙是否小于规定值。 目前，国外三维造型软件很多，国内一些软件企业和高校也已开发出一批三 维c a d 系统，实现了商品化，拥有了相当数量的用户，对市场和用户需求有了 深入了解。国产三维数字化设计核心系统也已经初具雏形，但是与国外流行的三 维核心系统相比，功能和性能上还有较大差距，急需通过行业应用束完善。不管 国外还是国内的c a d 系统，它们出于商业上的考虑都过分强调系统的通用性， 而忽略了设计对象本身的特点、设计过程，作为设计工具的c a d 系统，设计效 率的进一步提高过多地依赖设计人员的知识与经验。因此，国外的c a d 软件系 统在产品设计过程中注重零件设计和装配设计能力相关联的基础上，把焦点转移 到产品设计特有过程的自动化上，并已经认识到只提供某一系统单个领域内的方 案并不会为缩短产品投放市场的时i b j 带来革命性的转变。国内的c a d 软件也应 4 第一章绪论 该结合航天器御局与安装设计的特点，进行面向行业与过程的c a d 系统的开发。 计算机最原始的应用是科学计算，现在人们通常把它称之谓c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e 耐n g ) 。在卫星总体设计中，任务分析、质量特性分析、结构设计中 的有限元静动力学分析、流体力学分析、可靠性分折、热控设计中的外热流、角 系数、温度场计算等都可算作c a e 的范围。这些分析计算虽然也用到大量的可 视化技术，但本质上仍然是进行方程的数值求解，是传统科学计算的外延。 1 2 2 多学科综合优化设计技术的发展和应用 多学科m d 0 ( m u l t i d i s c i p l i n a r yo p t i m i z a t i o n ) 技术是近几年束发展起来的 一种新的设计手段。m m 和m d o 技术的应用将大大提高设计速度和总体设计水 平。众所周知，航天器是由多个分系统组成的，所以航天器的总体设计优化必定 是一个多学科优化的过程。传统的优化方法只考虑每个学科范围内自身优化，忽a 略了各学科间的耦合关系，因此从系统工程的观点看来，其结果在总体上不一定 是最优的：以卫星的总体布局设计为例，除了必须考虑到有效载荷对视场角要求 和总体设计对卫星质心、转动惯量的要求外，还必须考虑卫星的力学特征、空间 环境特性、热控设计特征、e m c 特性等对总体布局的要求。n a s a 兰利中心专门 成立了一个多学科优化团队m d o b 对此进行了大量的研究工作，一些公司还开发 了不少多学科优化的集成框架，根据2 0 0 2 年d a r a t e c h 公司发布的p i d o ( 过程集成? 和设计优化) 市场的分析报告，主要的商用p i d o 软件见表l 一1 。 表1 1商用p i d o 软件 其中著名的m d 0 框架有i s i g h t 、f i d o 、m i d a s 、n p s s 、a c c e s sm a l l a g e r 5 西北r 业人学硕十学伉论文 等。i s i g h t 是美国e n g i n e o u ss o 胁a r e 公司丌发的多学科优化框架，已有商品化 产品。文献【2 】介绍了m d o 对优化框架的要求，文献【1 介绍了m d o 技术在高速 民航机及航天飞机初步设计中应用的事例。 在航空航天及国防部门，经常需要在削减经费、压缩进度的同时，提高有效 载荷的性能，减小燃料消耗量，增强系统的安全性、持久性及乘员的生存率。通 过使用多学科设计优化等数字化方法，在综合考虑空气动力学、控制、结构及其 他仿真领域的基础上，实现高缴的设计优化和6 s i g m a 的目标，并替代费时费钱的 物理试验，就能大幅度地减少开发及产品费用、缩短研制时间、赢取新的市场、 促进创新。目前，多学科设计优化研究在国外开展了已经3 0 多年，在多数的大学 中还专门开设了该门课程。在航空航天行业已经得到了非常广泛的应用。 n a s a 的多学科设计优化研究主要集中在l a n 9 1 e y 中心下的m d o b 部门 ( m u h j d j s c i p i i n a r yd e s j g n o p t i 脚j 2 a l i o nb 枷c h ) 。其研究的目标是：提供下一代的分 析设计工具以增强设计的可信度、减少丌发时间。在其成立的1 0 多年的时问内先 后丌展了多项m d o 的应用性研究，典型的如：1 9 9 2 1 9 9 7 年采用自行开发的框 架 f i d o 在高速民用运输机( h s c t 2 1 一h s c t 3 5 ) 中的应用项目，1 9 9 82 0 0 0 年采用自行丌发的框架c j o p t 在高速民用运输机( h s c t 4 0 ) 中的应用项目， 1 9 9 9 2 0 0 1 年应用商业框架i s i g h t 在低噪声的旋翼飞机、可重用的火箭( r l v ) 、 a e m s p i k e 项目中的应用，2 0 0 0 2 0 0 2 年采用商用框架m o d e l c e n t e r 在e l v i s 、先 进工程环境( a e e ) 中的应用。此外，还开展了不确定性和高保真度等优化方法性 的研究i l 。”j 。 美国喷气推进实验室( j p l ) 开发的航天器多学科辅助设计系统( m i d a s ) ，实现 了系统的多学科优化设计，并利用该系统进行了火星探测器的优化设计。通用飞 机公司( g ea i r c r 硪) 采用i s i g h t 平台用于g e 9 0 发动机的原型设计和优化，将发动 机从7 级减到6 级，重量减少2 0 0 2 5 0 磅，每个引擎节省2 5 力美元。h o n e y w e l l 将i s i g h t 应用到机身和推进系统综合设计中，使用基准设计工具、评估系统和 工况性能，改进了设计，并实现了更低的成本和更短的设计周期，得到了更好的 性能。b o i n g 公司在d e i t a 中应用i s i g h t 进行发射系统成本的优化设计。 a i r b l l s & d l rd a i m l e rc h r y s l e r 使用p o i n t e r 优化平台对a 3 4 0 _ 巧0 0 和a 3 x x 大型客 机结构与气动力学参数( 主要是机翼的翼形) 进行优化【s l 。 1 _ 2 3 研究现状分析 国外已经将m d 0 技术应用到卫星总体设计上，并且开发出了一些成熟的商 6 第一章绪论 用p i d 0 软件。国内对于m d o 技术现在还处于研究阶段，没有出现成熟的用以 指导卫星总体设计的软件平台，而且国内在卫星总体设计中所用的c a d 软件大 部分是国外的商用软件，不仅使用成本高，而且依赖性大，这对我国卫星的研制 具有很大的制约性，所以迫切需要国内三维c a d 软件来支持。 本文用到的t i g e m s 软件便是以国内具体实际需求为导向，以国际高水平的 几何造型内核系统为标准，研发出的完全有我国自主知识产权的商用三维c a d 平台，同国外著名软件相比，它同样具有三维实体造型、装配、渲染、有限元、 工程图等完备的功能模块，同时提供了二次开发功能。但该软件同其他国外的商 用软件一样，只强调了系统的通用性，忽略了行业的具体设计流程，应用到卫星 设计中具有一定的局限性。 针对以上问题，本文在国内的三维c a d 平台- t i g e m s 的基础上，通过 二次开发，建立了针对卫星总体设计的优化平台。通过该平台的应用，为卫星总 体设计提供有力的支撑，提高系统集成能力和系统优化水平，并对今后的先进 多 星设计理念和设计方法的应用起到一定的指导意义。 1 ，3课题来源与主要研究内容 本文基于航天某集团的卫星总体优化项目，着眼于卫星数字化设计中的关键 技术，通过面向设计过程的应用集成开发，针对卫星设计学科基础广泛的特点， 以t i g e m s 为基础，建立卫星总体构型设计、分析及优化平台，实现卫星构型 的优化，提升卫星的总体设计技术水平。 本论文研究的主要内容如下： 1 需求分析和系统设计 根据用户提出的需求，将其进行功能划分，并根据具体的功能进行系统 框架的架构和内部接口的定义，同时还介绍了本文用到的相关技术。 2 ，整星质量特性计算及配平分析技术 主要介绍卫星质量特性分析的特点、计算公式、质量特性算法分析和在 t i g e m s 中的实现，为用户提供了设置零部件质量特性、装配体检查、计算整 星质量特性、分系统统计和查看质量特性等功能。 3 整星太阳光压分析技术 主要介绍了太阳光压计算的特点、数学原理和计算公式、光压计算的算 7 西北1 业人学硕十学位论文 法实现以及太阳光压在t i g e m s 中的运行实例等，为用户提供了定义任务时 间、定义运动部件、设置面参数和光压计算等功能。 4 卫星太阳翼遮挡分析技术 主要介绍了太阳翼遮挡分析的特点、遮挡算法的原理和实现以及在 t i g e m s 中的运行实例，为用户提供了太阳翼遮挡计算等功能。 1 4章节安排 本文共分为六章，各章节内容安排简单介绍如下： 第一章：绪论 介绍论文的研究背景和意义，分析国内外研究现状，提出论文的研究内容， 最后介绍论文的章节安排。 第二章：系统的需求分析及总体设计 介绍了系统的用户需求，并根据用户需求提出了系统的总体架构和内部接 口，同时介绍了用到的相关技术。 第三章：卫星质量特性分析 具体介绍卫星质量特性的特点、计算公式以及质量特性计算的分析流程、算 法分析和在t i g e m s 中的运行实例。 第四章：卫星太阳光压分析 介绍卫星太阳光压的计算特点、计算原理、计算公式，着重分析了太阳光压 在t i g e m s 中的分析流程、算法实现和运行实例。 第血章：卫星太阳翼遮挡分析 分析了太阳翼遮挡计算的特点，着重介绍了曲面遮挡的算法实现流程以及在 t i g e m s 中的分析流程、算法实现和运行实例。 第六章：结束语 总结论文进行的工作及目i j 还存在的不足，指出需要进一步研究的内容。 8 第二一章系统需求分析及总体设计 第二章系统需求分析及总体设计 2 1 系统需求分析 卫星总体构型的主要任务是依据大系统约束条件( 如运载发射能力、整流罩 可用空间) 和仪器设备的功能要求和限制( 如安装方位要求、信息流向要求等) ， 开展卫星结构形式确定、仪器设备布局等工作。在构形布局设计中，需要进行以 下的分析： 整星质量特性分析； 抗辐射加固分析； 太阳光压分析； 太阳翼遮挡分析； 姿控敏感器、推力器、有效载荷光学等部件视场干涉检查； 定向天线的布局和锁紧、展开、转动等运动包络检查； 仪器设备干涉检查； 设备丌畅性、可操作性检查； 定向天线波束张角和地面覆盖分析。 卫星总体构型是一个多学科设计优化的过程，从方案设想、任务分析开始， 贯穿于整个方案设计过程，并随着方案的细化，不断进行调整和细化。一般情况 下，构形布局设计的优化方法都是采用多方案比较的方式，通过干涉分析、质量 特性分析等多种分析手段，进行优化评估，从而确定一个比较满意的优化布局方 案。目前在卫星总体构型分析中还普遍采用手工、实验及估算的方式，只能进行 很有限的方案比较和评估。本文提出的卫星总体构型分析平台是一个对总体构型 方案进行评估分析的c a e 工具，用以取代当前型号设计中普遍采用的手工、实 验及估算的方式，为在卫星总体构型中应用多学科设计优化技术和工具奠定基 础，缩短设计时日j ，选取更好的优化郝局方案。 卫星总体构型分析平台是在t i g e m s 系统上进行的二次开发。t i g e m s 是清软 英泰公司以三维几何造型核心构件系统t i 3 d c o r e 为基础，研发出的完全具有我国 自主知识产权的商品化三维c a d 平台。它能为用户提供c a d ，c a m c a e 的全面解 决方案。它是一个基于线框、曲面、实体和特征表示的产品造型与设计系统，包 括零件设计、装配设计、渲染、工程图与有限元分析等功能模块。用户可根据自 9 荫北丁业大学硕士号仿论文 己的设计意图灵活方便地设计产品模型，并得到实时的真实感图形显示和高质量 的渲染效果。 卫星总体构型分析平台是利用t i g e m s 提供的二次开发接口，以插件的形式 集成到清软英泰的t i g e m s 三维c a d 系统上，能够使用户在进行三维造型的时候 利用该插件提供的功能进行优化设计。根据用户提出的具体需求，该插件主要实 现以下功能： ( 1 ) 整星质量特性分析 质量特性包括质量、密度、质心位置、惯性主轴方向及各转动惯量。该 模块能够计算整星、舱段及各分系统的质量特性，并针对当前的构型方案给 出配重重量及配重位置。该模块实现设置属性、检查装配体、统计分系统、 设置质量特性、查看质量特性、计算质量特性、计算配重等功能需求。 ( 2 ) 太阳光压分析 功能包括：定义任务时问；定义运动部件；定义太阳光方向；设霄面参 数；在给定太阳光线方向和卫星构型的前提下，计算太阳压所造成的力及力 矩。该模块实现不同类型卫星的光压计算。 ( 3 ) 太阳翼遮挡分析 功能包括：在太阳翼遮挡分析就是在给定太阳光线方向和卫星构型的的 提下，分析卫星本体对两翼电池阵的遮挡影响；遮挡结果的显示等。 使用统一建模语言( u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a l l g u a g e ) ) 的用例模型束掐述系 统的功能需求。用例模型是一种包括参与者、用例以及它们之间关系的系统模型。 系统的用例图如图2 一l 所示： 1 0 第二章系统需求分析及总体设计 系统的用例如表2 1 所示： 图2 一l系统用例图 表2 一l系统用例 西北1 一业人学硕士学付论文 与卫星总体构型分析系统交互的参与者如表2 2 所示 表2 2系统参与者 参与者描述 设计人员 分析人员 进行卫星总体布局设计 对卫星总体构犁进行分析评估 本论文的研究目的就是套符合用户需求的稳定的卫星总体构型优化工具， 为卫星总体设计提供有力的支撑，提高系统集成能力和系统优化水平，并对今后 的先进卫星设计理念和设计方法的应用提供一定的指导意义。 2 2 系统设计 2 2 1 系统框架 基于国产c a d 平台t i g e m s ，通过初步应用系统对某型号卫星总体构型布 局设计，结合卫星优化设计需求，建立基于t i g e m s 的系统功能结构，如图2 2 。 本论文研究的卫星优化设计功能包括卫星整星质量特性分析及配重分析、卫星整 星光压计算和卫星太阳翼遮挡计算。 通过t i g e m s 提供的二次丌发接口，使得外部调用模块只需根据二次丌发接 口传入分析对象信息( 如三维实体模型，装配零件数量等) ，即可进行整星质量 特性分析、光压分析和太阳翼遮挡分析。 图2 2 系统功能结构 1 2 第二章系统需求分析及总体设计 系统开发完成后生成的是一个d l l 动态库，调用t i g e m s 接口将该动态库 加载到t i g e m s 中，用户就能在菜单栏中看到“卫星分析”菜单，系统运行效果 如图2 3 所示。 2 22 内部接口 图2 3 系统运行效果图 本平台所有模块的分析计算都是基于卫星本体坐标系的，所以在正式进行优 化分析时必须建立卫星本体坐标系，如果未建立该坐标系，则系统将默认为装配 体的坐标系，并且在计算太阳光压和太阳翼遮挡时需要整星的质心、质量等计算 结果数据，势必与质量特性模块有一定的联系，而且太阳光压和遮挡分析都是要 在前置条件满足的情况下才能进行操作，所以在构建本系统时必须考虑内部接口 的设计与实现，内部接口如图2 4 所示。首先定义卫星本体坐标系，然后进行质 量特性分析，设置前置条件( 定义任务时间，定义运动部件、定义运动时间、设 置面参数) ，最后调用相应的内部接口进行光压和遮挡分析。 在进行太阳光压分析、太阳翼遮挡分析时，都需要检查对应的前置条件是否 满足。 两北1 业人学硕十学付论文 光压分析最小集： 最大集： 设置面参数 遮挡分析最小集： 最大集： 设置面参数 定义太阳方向、运动时间定义、定义旋转运动、设置面参数 星体坐标系、定义太阳方向、运动时间定义、定义旋转运动、 定义太阳方向、运动时间定义、定义旋转运动、设置面参数 星体坐标系、定义太阳方向、运动时间定义、定义旋转运动 嘶盛i 兰卅4 坼 ”“” 定义任务时间 一 太阳光压分析 卫星本体坐标系定义太阳方向 定义运动时间 一 阳翼遮挡分析 弋 (| i 6 置条件) 设置面参数 、= 二_ 2 3 相关技术介绍 2 3 ，1x m l 技术介绍 图2 4 内部接口 可扩展标记语言x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 是一门新兴的面向 i n t e r n e t 应用的标记语言，是为在w e b 上使用而优化的s g m l ( 标准通用标记语占) 的子集。它是w 啊联合会( w 3 c ) 于1 9 9 8 年2 月制定的一种通用语言规范，确保了 结构化数据的统一性和相对于应用或供应商的独立性口”。 作为一种可用来制定具体应用语占的元语言，x m l 既具有强大的描述能力， 又具有适合网络应用的简洁性；作为对s g m l 语言标准的一种改良，x m l 具有适 于异构应用间数据共事、可以进行数据检索和提供多语种支持等优点，而这些优 点均与x m l 的数据存储机制紧密联系p ”。 x m l 的优点主要有：( 1 ) 适于异构应用系统间的数据共享。( 2 ) 强大的数据检 索能力( 3 ) x m l 数据存储机制。 作为w 3 c 的接口标准，d o m 实际上就是h t 札文档和x m l 文档的应用程序接口 1 4 第二章系统需求分析及总体设计 ( a p d ，它定义了h t m l 文档和) ( m l 文档的逻辑结构，给出了一种访问和处理h t m l 文档和x m l 文档的方法”利用d o m ，程序开发人员可以动态地创建文档，遍历文档 结构，添加! 修改! 删除文档内容，改变文档的显示方式等彤p 。 目前d o m 由3 部分组成：核心( c o r e ) 、h t m l 和x m l 。核心部分是结构化文档 比较底层的对象的集合，这一部分定义的对象可以表达出任何h t m l 和x m l 文档中 的数据【j 4 j ”。 d o m 将一个x m l 文档看作是一棵节点树，每一个节点代表一个可以和它交互的 对象”在这种模式下，每个元素都是一个结点，而每个节点都可以包含它自己的节 点子树”在每一个文档的顶端是根节点【”l ”在应用程序中，基于d o m 的x m l 分析器 将一个x m l 文档转换成了一个对象模型的集合( 这个集合通常被称为d o m 树) ，应 用程序可以通过对该对象模型的操作，实现对) 【m l 文档中数据的操作。 2 3 2t i g e m s 二次开发接口介绍 t i g e m s 6 o 三维零件模块的二次开发平台采用的是基于动态库的二次开发技 术，具体实现方法是提供包含有可供用户调用的a p i 函数的动态链接文件，以及 对应的头文件，库文件，用户使用通用开发环境( v c ，b c 等) 编写自己的专用程 序模块。在编译时，只需将指定这些动态连接文件，头文件，库文件包含进来即 可。用户可以生成自己的应用程序，也可以编译为c a d 软件一个模块，通过用户 化界面技术重新定制c a d 软件界面，加入用户编写的模块。 为了进行二次开发，在t i g e m s 6 0 系统中建立的p l u g i nm a n a g e r ( 插件管理 器) 类来实现二次开发程序的界面和消息响应，和管理用户开发的动态库插件程 序，它提供以下功能的底层实现：管理用户动态库插件的动态载入和卸载；动态 创建和删除菜单项目和工具栏；响应用户插件对t i g e m s 6 o 核心的调用。 t i g e m s 6 o 是一个采用特征造型技术的三维c a d 软件，它使用特征来表征造 型实体。因此开放t i g e m s 6 0 中有关特征的操作是二次开发接口中最重要的部 分。t i g e m s 6 0 零件模块中关于特征的操作繁多。各种特征大致可以分为三类： 构造几何特征( 原点、辅助轴、辅助平面) ；辅助特征( 草图、曲线) ：形体构造 特征( 拉伸、回转、扫描、放样、倒角、切边、抽壳、拔模、阵列、镜像) 。每 个零件都通过这些特征构造过程构造出来。针对每种特征又有4 种基本操作：特 征创建、特征修改、特征查询、特征删除。对于每种特征的每一种操作，在g e m s a p i 动态库中均要有函数将这种操作开放给用户。为此我们根据特征的分类方法和不 同的操作层次，对二次开发接口进行了分类，主要特征操作的a p i 如图2 5 所示。 西北r 业人学硕十学何论文 圉 a p 【集合 p i u g m m a n a g c r j 用户动奁库袭入ln 雨歪丽i 订两r 歪1n 雨i 吾孬雨j 百硐厂面诖面西凛覃砷 璧堡鲞 _ ! ! 型堡 堕f _ 1堕 1 ，星! ： 卜露幢叼粤1 竺燮! ln 和l 具j 兰 茎一一j l 兰! = l j l f r _ 雨面两i i j 西军u 形体构越特矩的 r 1 塑塑星 i | ! ! 墨 j i 厂j 孺丽面丽 l 一 h a p 】集 l f 1 | 特征树管坪的i ap i