0 前言
根據衛(wèi)星的質量，通常將小于1000公斤的衛(wèi)星稱為廣義的小衛(wèi)星，其中，將500-1000公斤的衛(wèi)星稱為小衛(wèi)星。在小衛(wèi)星的設計的各個階段中，利用Pro/E等三維設計軟件進行衛(wèi)星總體模型設計是一項重要的工作。小衛(wèi)星機械總體建模設計主要根據與各分系統(tǒng)的接口數據單建立設備模型、結構模型等，近而完成衛(wèi)星構型布局以及總裝設計建模。
衛(wèi)星設計的各個階段分為方案設計階段、初樣設計階段以及正樣設計階段。其中初樣設計階段和正樣設計階段均屬于詳細設計階段，這兩個階段衛(wèi)星設計的各種輸入性文件比較齊全、狀態(tài)論證充分，整星模型的構建過程很少經歷較大更改。但是，在衛(wèi)星方案設計階段，設計周期短、方案多樣性要求高、設計不確定性強，設計迭代次數多。設計經常進行大面積修正甚至顛覆性修改。例如：
●衛(wèi)星構型修改；
●衛(wèi)星主承力結構修改；
●設備配套修改；
●設備外形尺寸、安裝接口修改；
●設備布局修改；
●結構板開孔修改；
●視場、羽流、精測光路、質量特性等修改。
面對方案階段的特殊性，必須對整星快速三維建模實現方式進行研究。研究需包含基礎建模數據準備方法、模型快速搭建方法、模型快速修改方法、設計要求快速驗證等，以確保方案階段衛(wèi)星總體建模速度能得到提升。
1 建模效率分析
小衛(wèi)星方案階段整形構型布局建模主要要完成以下幾方面的工作：
●衛(wèi)星主結構模型搭建：以箱板式衛(wèi)星結構為例，設計師需對衛(wèi)星中各個鋁蜂窩結構板進行外形尺寸（通常為長方形外觀，板厚有16mm、25.6mm等數種常用選擇）建模，然后根據衛(wèi)星構型布局方案對蜂窩板模型進行三維裝配，裝配主要完成結構板的搭接關系、間距調整等的實現；
●設備建模：設備建模主要根據設備配套表和設備接口數據單，完成設備外形尺寸、接口參數的建模與定義。將建立好的設備模型安裝在衛(wèi)星主結構模型上，將每塊結構板及相應板上的設備模型建立成板級裝配體，并調整設備朝向、間距等參數；
●結構板開孔：根據設備位置，繪制電纜走線孔、管路穿艙孔、精測孔等結構板開孔；
●構型布局驗證：根據衛(wèi)星總體要求，利用三維軟件，進行衛(wèi)星設備視場、精測光路、羽流、質量特性等參數的建模及分析。
1.1 主結構搭建效率分析
小衛(wèi)星主結構一般分為載荷艙、平臺艙以及側板、頂板，兩艙為上下連接關系。每個艙由一塊平置結構板和若干塊立置結構板組成，如圖1所示：。其中，平置結構板的長、寬決定了衛(wèi)星本體的長、寬，立板高度決定了衛(wèi)星的高度。建模過程中，設計師對每塊板進行建模，完成草繪、拉伸等操作，平均每塊板建模時間約3分鐘，一般星上結構板數量為15塊左右。結構板建立時間約為45分鐘。將所有板裝配在一起，需要進行定位、調整等建模操作，整個裝配以及調整過程至少需要30分鐘左右。因此，整個衛(wèi)星結構搭建的純時耗為75分鐘。方案過程還要需要大量的更改工作，平均每次星結構板重建、重構、重調工作時間約60分鐘。建模效率低的問題在于：1)未對結構板搭接關系進行系列化歸類；2)未對結構板尺寸參數與定位參數進行有效整理與關聯；3)未對如板厚等定型參數由輸入模式轉變?yōu)榭蛇x擇模式。
圖1 衛(wèi)星艙段結構板組成
1.2 設備建模效率分析
小衛(wèi)星設備外形多為長方體，方案階段的建模對模型外形精細程度要求不高，但設備配套、外形大小卻會多次發(fā)生更改迭代。不同的單臺設備建模過程會涉及到其他型號設備模型復用、原有模型適應性修改、完全新建等不同過程。對于模型復用或適應性修改一般集中在推進、姿軌控、星務等平臺分系統(tǒng)設備，完全新建一般集中在載荷分系統(tǒng)設備。一般小星上設備約100臺左右，平均一顆星的設備建模（復用、修改、新建、裝配定位）時間為8個工作日，其中模型復用收集1天、模型修改2天、新建模型3天、裝配定位2天。建模效率低的問題在于：1)未對長方體規(guī)則設備進行參數化驅動建模；2)各型號設備模型分散在設計師手中，缺乏完整的設備模型庫以及對模型特征的有效查詢；3)小衛(wèi)星建模所使用的ProE軟件，參數關聯性強，對裝配定位、裝配層級關系不能得到快速、方便的調整。
1.3 結構板開孔效率分析
結構板開孔一般要進行開孔輪廓繪制、孔尺寸調整、孔定位尺寸調整等工作。孔的種類又包括圓孔、矩形孔、幺形孔，板邊半開敞孔、異性孔等。建模時一般用草繪-切除完成。平均每個孔的繪制、調整時間約為3分鐘。建模效率低的問題在于：1)未對不同的孔進行特征分類；2)未對開孔操作過程中的重復操作進行優(yōu)化；3)孔的定位不能得到快速、方便的調整。
1.4 構型布局驗證效率分析
構型布局驗證涉及方面很多，平均每顆衛(wèi)星構型布局驗證建模分析時間約為7天（不包含反復迭代）。主要低效環(huán)節(jié)在于兩大方面：1)衛(wèi)星視場、羽流模型未能進行歸類及參數化驅動；2)衛(wèi)星質心位置、轉動慣量等指標結果不能根據星上設備位置調整實時顯示，導致反復查詢操作占用時間。
2 快速建模實現方式
為解決以上問題，實現快速建模，應對建模過程進行以下優(yōu)化：
2.1 基礎數據準備
基礎數據做以下幾方面準備：
1)為在應用層實現用戶管理、快速結構布局和設備布置、快速模型特征操作等功能，應建立數據庫，管理系統(tǒng)物理數據（三維模板庫及設備模型庫）和參數數據表等。通過建立規(guī)范的參數化三維模型模板，應用參數驅動模板生成需要的模型，同時保證模型建立的規(guī)范性和可讀、可修改能力；
2)設備模型庫信息參數表必須細化，應包含設備名稱、代號、模型來源衛(wèi)星型號代號、曾用衛(wèi)星型號代號、長、寬、高、直徑、質量、承制單位、特征參數等。其中特征參數是指機械特性以外的可以起到設備辯識度的參數，如蓄電池的電量特性（Ah）。信息參數表應支持模糊查詢，以便根據不完整的方案階段設備配套表快速定位可用設備模型。
3)對衛(wèi)星設計方法結構特點進行梳理，總結衛(wèi)星結構構型種類、板件的典型結構型式、板件組合方式、設備的分類及型式等，然后定義其變化參數，制定三維模板建立方案，三維模板要特征建立規(guī)范、參數完整并具備良好的修改變形能力。
4)對開孔、視場、羽流等常用模型特征進行數據統(tǒng)計，分析出類別與通用參數以支持參數驅動。
2.2 模型快速搭建方法
模型快速搭建應做到以下幾方面：
●參數化驅動：根據基礎數據整理情況，建立參數化模型模板，并結構板、模型、開孔等尺寸參數、裝配定位參數進行全參數化關聯。做到極簡的初始參數輸入就能完成整個建模工作，并且支持快速修改。如結構板中部分立板的長度就與平板的長度可以統(tǒng)一為同一互相關聯的參數；
●面向用戶體驗的操作界面：后臺參數化驅動的前臺表現應更關注用戶體驗。首先，所建結構形式應圖形化、直觀化；其次，參數錄入邏輯化、簡易化。模型參數錄入過程要符合設計人員的正常思維過程，如結構搭建應先定結構形式再定具體參數。鼠標點擊、數據錄入等操作應規(guī)劃至最優(yōu)，最大程度避免多余操作。設備配套表中以裝配和刪除的情況明確反映在表格中，避免反復查詢。質量特性等設計參數應實時置于前臺界面中顯示，避免反復查詢。
●簡化模型基準；實現快速布局必然要在設備模型、結構板模型上建立坐標、安裝面等等統(tǒng)一點、線、面基準。但這種基準的數量應根據方案階段的特點進行簡化。如衛(wèi)星詳細設計階段需要設備模型基準坐標系、安裝孔點、安裝面、R點、腳印等多種特征以面對后續(xù)的各種圖紙生成。但方案階段沒有這種要求，因此只需要設立模型坐標系可能就能滿足建模需求。太復雜的模型基準設置不利于方案階段設計師對建模工作的心理預期。
3 實施效果
針對以上分析和思考解決方法。我們基于Pro/E軟件進行二次開發(fā)，研制了小衛(wèi)星快速設計軟件。軟件分為快速設計和系統(tǒng)管理。其中快速設計又包含主結構布置、設備布置、快速開控股、分析模型等模塊。如圖2所示。
軟件在整星主結構布置中定義了整星的板件型式和組合方式，根據設備布置需求定義不同的布局空間，在布局設計時可以在界面上直接選擇和輸入參數，并且有相關的知識鏈接和圖片示意供設計參考。如圖3所示。
軟件在設備快速布置和調整功能模塊，設計師通過定義完善從項目辦接收到的設備清單，直接導入到設備布局界面，系統(tǒng)自動根據設備名稱和設備相應技術指標從數據庫中檢索查詢，將滿足條件的所有設備提取到界面，設計師可以選擇滿足條件的設備直接進行裝配；若無滿足條件的設備數據，設計師可以自定義設備外形參數，通過模板快速生成需要的設備簡化模型進行方案布置。在設備布置過程中，界面上即時顯示整星的質心位置及轉動慣量的參數信息，設計師可以隨時在Pro/E界面上看到生成的三維模型，并可以對設計進行快速重新放置和調整。如圖4所示。此外，還有結構板開孔、模型分析、模型分發(fā)等多個模塊。
圖2 衛(wèi)星快速設計系統(tǒng)
圖3 衛(wèi)星快速設計系統(tǒng)-結構建模界面
圖4 衛(wèi)星快速設計系統(tǒng)-設備建模界面
相關設計時間節(jié)省統(tǒng)計如表1所示，效率較以往得到明顯提升：
表1 衛(wèi)星快速設計系統(tǒng)應用前后效果對比
4 結論
本文全面分析了小衛(wèi)星方案設計階段三維模型構建的特點和低效環(huán)節(jié)。提出了構建過程中基礎數據建立、結構搭建、設備建模裝配、指標驗證等的優(yōu)化方法。結合實際，在Pro/E環(huán)境下二次開發(fā)了小衛(wèi)星快速軟件，提升了設計效率。
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