PROE用户精英大会-论文汇集1.pdf

PTC 用户精英大会用户精英大会用户精英大会用户精英大会 2002 2002 年年年年 7 月月月月 18 19 日日日日 海南博鳌海南博鳌海南博鳌海南博鳌 DFH 4 卫星结构分系统的三维仿真参数化设计及应用卫星结构分系统的三维仿真参数化设计及应用卫星结构分系统的三维仿真参数化设计及应用卫星结构分系统的三维仿真参数化设计及应用 北京总体专业设计部 曹巍 摘要本文针对我国下一代大型通信卫星DFH 4共用平台新的要求通过 三维仿真参数化设计的理念在优化总体布局提高结构设计的容错性缩短 结构设计及部装的周期等方面进行了介绍 主题词DFH 4 结构设计 Pro ENGINEER TOP DOWN 参数化 一 前言 DFH 3 卫星的发射成功标志着我国已经具有了自行开发地球静止轨道通 信卫星平台的能力开发更大容量通信卫星共用平台缩短与国外设计水 平的差距已经成为我们卫星事业发展的必然趋势 DFH 4 卫星有效载荷最大起飞重量 5100Kg 在轨寿命 15 年除了具有更大 的有效载荷装载能力以外还具有更大的适应能力这使得 DFH 4 平台能 够满足未来一段时间内我国对大型地球静止轨道通信卫星平台的要求成 为真正意义上的共用平台 二 结构分系统简述 对于结构分系统而言主要性能要求为 强度卫星在地面操作发射过程和在轨工作其间结构应不发生破坏和 影响使用的变形 刚度结构部件的固有频率不得与安装在其上的仪器设备的固有频率接近 整星的固有频率不得与运载的固有频率接近 质量限制结构应进行优化设计以减轻结构重量 电导通卫星结构所有导电性部件均应是电导通的并能为星上仪器实现 所需要的电导通 热控满足对于星体的热防护要求 接口保证与天线太阳电池阵及运载火箭的接口要求 由于卫星发射重量由 DFH 3 卫星的 2300Kg 增加到 5100Kg使卫星结构分 系统所承担的载荷有了很大幅度的提高所以在以上几个方面及可靠性 工艺性及适应能力等方面对结构设计提出了更高的要求如何把结构设计 加工及部装的质量周期和成本风险降至最低已成为摆在结构设计工程 师面前的一个重要课题 三 三维仿真设计的实施 在三维仿真设计中主要应用的是 PTC 公司的 Pro ENGINEER 软件其最 大的优点是能够提供一个自顶向下Top down的三维设计环境自顶向 下设计是一种产品设计方法在此方法中首先捕捉顶级设计标准然后将 此信息从产品结构的顶级传递到所有的子系统使结构设计工程师从而可 以使用协调一致的设计技术来开发三维仿真设计 1创建整个结构设计的布局Layout 布局用于自顶向下Top down的设计环境中控制组件的设计意图 包含在布局中的信息有2 D 非参数化草绘的几何全局尺寸和参数 列表数据设计注释等 图 1 即为 DFH 4 卫星结构设计的布局 图 1 DFH 4 卫星结构布局 在图 1 中尺寸均来自总体要求为卫星外形及结构连结板之间的基本位置 关系通过将全局尺寸和参数结合即可以达到控制设计的作用 2组织布局 将控制卫星外形及结构连结板之间的基本位置的参数列表如图 2 所示 图 2 参数列表 图 2 表中的尺寸为参数所驱动在设计中可通过更改参数的值达到更改外 形 尺寸结构板尺寸及板间的基本位置尺寸的目的此参数可设置权限 即只有一定权限的设计师才有权更改或在设计布局中不断增加参数化设 计也使得卫星结构设计的系列化成为可能极大的缩短了结构设计周期 减少了由于卫星尺寸变化带给设计师的工作量 3建立骨架Skeleton模型 骨架模型以 3 D 形式表示布局中的设计信息并由布局中的参数所控 制图 3 即为 DFH 4 卫星布局所控制的骨架模型即将结构的空间位置 用曲面Surface的形式完全表达 此骨架模型可共用于总体的仪器布局和结构分系统的部装设计锁后 可分别进行设计可大大节约设计周期 图 3 骨架模型 4 通过骨架模型的数据共享功能创建子组件子骨架元件 将设计信息 曲面 基准面 基准轴 通过 复制几何Copy Geometry 功能传递即可完成对子组件元件的空间定位和尺寸的确定并可 分工负责由团队并行设计节约设计时间 在生成实体的基础上增加各子组件元件的开口孔的特征 由图 4 至图 6 可清晰的看出这种设计意图 图 4 服务舱南电池板 图 5 承力筒组件 图 6 隐藏曲面后的承力筒组件 5创建连接角条零件 由于 DFH 4 卫星结构采用后埋及角条连接连接角条有百余根 但结构简单故采用直接生成三维零件通过与结构板的面和孔配 合定位达到直接装配到大装配中的目的 图 7 中板与东西板的连接角条 6生成整个大装配 使用包装功能将元件放置在组件窗口内因为空间几何位置均 为同一骨架创建所以能够保证个子组件元件位置的正确 图 8 整星结构的大装配 图 9 整星结构角条与孔的位置关系 图 10 服务舱局部放大图 四 在卫星设计中的应用 在传统的设计中是结构设计工程师根据总体的卫星结构设计要求在保 证各舱段结构板开口要求的情况下确定板间连接关系以二维工程图的 形式提供给加工生产单位主要应用软件为 AutoCAD其主要缺点是各 尺寸之间无关联无法实现参数化设计工程师独立于组件外设计各个元 件需要用手工方法保证元件的正确配合以符合设计标准设计者常会在 创建组件后发现无法装配例如两板之间连接后埋块位置不符检测出问 题后设计者需手工调整每个模型而随着结构的复杂性增加检测和纠 正这些矛盾会消耗大量的时间 利用三维参数化设计其优点如下 1 缩短总体与结构分系统之间的协调时间与工作量由于使用同层骨架 使得仪器孔位得以更快更准确的确定 2 加工成产品前即可实现数字化部装即可提高部装的准确性又检 验了各结构板连接的正确性同时合理的利用了时间 3 尺寸为参数化驱动为产品的系列化及结构设计修改提供了很大的方 便 4 可以通过输入零件密度的方法直接计算出结构分系统的重量以及质 心等达到更优化的设计 5 利用 Pro ENGINEER 的二维工程图功能可直接出元件及组件的二维 工程图对于外形复杂元件 例如 SADA 支架 的设计 能够更加方便和 准确 并且达到尺寸的互相关连减少设计中的人为差错和工作量 6 通过 Pro ENGINEER 的力学分析模块可进行整星结构的静动力分析 五 结束语 在卫星的设计中 设计师运用先进的设计思想和设计手段 在全面严格的计 算分析基础上的工作是由为重要的结构平台是卫星共用平台的骨架它 的适应能力的大小将直接决定卫星平台的适应能力和发展前途如何全面 综合生产周期成本通用性等多方面因素最大程度的降低各方面的研 制风险提高产品质量和可靠性是摆在设计