虚拟样机技术在载人航天发射场中的应用

贾立德，郑永煌，李建忠，徐晓娅

(中国酒泉卫星发射中心试验技术部，兰州732750)

1 引言

载人航天发射场是飞船、运载火箭等产品测试发射过程中使用的所有地面设施设备总称［1］。随着航天发射任务的日益增多，对发射场设施设备的可靠性安全性和精细化维修保障能力要求越来越高。传统的基于定性手段和经验的维修保障方法已经越来越不适应新的任务要求［1］。

虚拟样机技术是上世纪90年代中后期随着计算机技术的发展而发展起来的。在美国、德国、日本等发达国家，虚拟样机技术的应用领域涵盖了航空航天、工程机械、造船等多个方面，如火星探测器“探路号”的设计，波音777飞机的设计，以及重大故障问题和过程的再现与分析等［2，3］。

虚拟样机技术是指基于产品计算机仿真模型的数字化设计、分析与优化方法。它以计算机仿真和建模为依托，融合智能化设计技术、并行工程、仿真工程等，最终目标是对产品的设计、使用性能进行精确、量化分析与预测，从而达到设计和维护使用管理的最优化［2-7］。

虚拟样机技术是在CAD/CAM/CAE和物理样机的基础上发展起来的，其基础为多体系统动力学、结构有限元理论、其他领域物理系统的建模与仿真理论等，是产品的多领域数字化建模的集合体，包含有真实产品的所有关键特征。虚拟样机的三个要素为:进行功能分析的仿真模型;表达集合形状与机构的CAD模型;用于实现可视化与表达的虚拟环境模型［2-7］。

本文对近年来在载人航天发射场综合维修保障领域开展的虚拟样机技术研究与应用情况进行了系统总结，对虚拟样机技术在载人航天发射场的应用特点进行了分析。

2 应用领域和特点

2.1 应用领域

载人航天发射场设施设备按照专业领域，可以划分为非标机械设备、电控设备、加注供气设备、空调消防设备和供配电设备几大类。载人航天发射场虚拟样机技术应用就是围绕上述设备的综合维修保障分析等开展的，可以分为结构分析和流场分析两大内容，具体包括:结构的三维建模与仿真、结构的力学特性分析、发射场各种物理场(温度场、电磁场)的建模与仿真等多个方面。

载人航天发射场虚拟样机技术的典型应用领域如图1所示。

图1 载人航天发射场虚拟样机技术应用领域Fig.1 Application field of virtual prototype technology in manned space launch site

2.2 应用特点

与其他领域相比，载人航天发射场设施设备的高可靠性安全性要求特点决定了虚拟样机技术在发射场中的应用具有自身的特点和特殊性。

1)设施设备全寿命周期综合应用

载人航天发射场设施设备的复杂性和特殊性，决定了发射场虚拟样机技术的应用首先具有面向设施设备全寿命周期综合应用的显著特点。也就是说，发射场虚拟样机技术的应用不仅注重设施设备的设计开发，同时也注重在设施设备使用、维修、保障等方面发挥作用，即面向全生命周期的综合应用，如图2所示。

图2 全生命周期的虚拟样机技术应用框图Fig.2 Schematic of full life-cycle application of virtual prototype technology

2)涵盖发射场的主要专业和分系统

虽然载人航天发射场设施设备种类繁多，但本质上是一个机、电、液、气综合系统。由图1可以看出，虚拟样机技术的应用领域能够涵盖发射场的主要专业和分系统，如非标机械设备的结构刚强度分析、三维可视化建模和控制性能分析;加注供气系统的热分析以及空调保障系统的温度场分析等。因此，虚拟样机技术在发射场具备广泛应用和从根本上提升发射场综合维修保障能力的前提条件。

3)以结构分析和流场分析为主要内容

虚拟样机技术在载人航天发射场的应用涵盖了发射场的主要专业和分系统。从虚拟样机技术在发射场应用的专业理论领域来看，虚拟样机技术应用主要是以结构分析和流场分析为主要内容。也就是说，主要用到的是结构力学、有限元分析、场分析、数值传热等领域的基础理论。

3 典型应用

3.1 关键设备三维可视化建模

建立脐带塔等发射场关键设备的三维可视化模型，能够为快速、准确的开展箭塔接口协调、技术会商提供一种有效、精确、直观的技术手段［4-7］。

在Pro/E平台上，建立了载人航天发射塔零部件和装配体三维可视化模型，如图3所示。同时设计开发了模型管理数据库，实现对大量的零部件模型和装配体模型的高效组织、管理、存储和使用。系统主要功能包括:

1)零部件设计、工艺信息的存储与显示。系统在形象、完整显示零部件三维构型的基础上，同时根据设计图纸，完整记录各零部件的尺寸、材料、装配工艺等信息。

2)零部件信息的检索查询。系统能够根据零部件名称等检索关键词对零部件信息进行查询，方便技术协调和会商。

3)动态演示设备运行原理。系统利用Pro/E软件的装配体设计与动画演示模块，对关键部件的运行原理、装配/拆卸顺序进行动态演示，便于更加形象直观地掌握设备原理和状态。

图3 载人航天发射塔三维可视化模型Fig.3 Visual 3D models of manned-space launch tower

3.2 基于有限元法的结构静动特性分析

准确掌握脐带塔回转平台等关键结构在各种复杂载荷作用下静动特性，对于准确掌握设备使用维护规律，确保设施设备可靠性安全性具有重要意义［8，9］。

利用有限元软件平台Nastran，对脐带塔回转平台的结构静动特性进行了分析建模，如图4所示，其中图4(a)为第三组回转平台的有限元模型，图4(b)为其第一阶振型计算结果。

风载荷是影响发射时刻脐带塔回转平台展开的重要因素［10，11］，尤其是 2009 年脐带塔回转平台由原来的非封闭状态改造为封闭状态，回转平台受风面积大大增加，结构静动特性发生变化。利用上述有限元分析结果能够对脐带塔回转平台受风载荷的影响进行准确评估。由图4可以看出，封闭后的回转平台一阶固有频率为1.8 Hz，高于常见风振频率(0.5 Hz)，因此从结构风振的角度分析，封闭后的回转平台是安全的。

图4 脐带塔第三组回转平台有限元分析结果Fig.4 Finite element analysis of the 3rdrotating platform

3.3 发射场电控设备虚拟仿真与训练

计算机和电气控制是发射场关键设备的主要控制方式。开发发射场电控设备虚拟仿真与训练平台，对提高岗位人员故障分析处置能力具有重要意义。

利用Visual Graph图形插件建立了脐带塔回转平台、电缆摆杆控制系统的虚拟电控仿真系统，如图5所示。系统主要功能如下:

1)在操作面板、工作原理仿真界面中，所有元器件均可根据操作实时、动态同步动作，准确再现系统工作原理和过程;

2)设备运行过程中的模拟量参数，可在操作面板仪表盘上实时显示出来，并与系统真实状态相同;

3)控制原理、工作原理界面可单独用来进行动态原理分析，在图中能反映实际设备的运行原理和过程，可用来进行交互故障诊断分析;

4)开发了虚拟专家脚本数据，可以仿真系统正常的操作运行过程，或仿真显示不同器件故障的运行原理及设备状态信息。

3.4 脐带塔封闭区温度场建模与评估

神舟飞船、运载火箭等产品对脐带塔测试封闭区的环境温湿度有严格的要求。但长期以来，发射场主要依靠经验和定性分析手段对脐带塔封闭区环境温度进行简要分析与估计，误差较大。尤其是对于推迟发射等特殊情况下需要对脐带塔封闭区环境温度保障能力进行精确计算、评估时显得手段不足［1］。

利用Fluent软件，建立了脐带塔封闭区温度场的数值模型。为了提高计算效率，选取脐带塔封闭区的一半建立数值模型，对称面为封闭区的闭合界面。根据结构建立相应的模型，采用六面体结构化网格和非结构四面体网格组成的混合网格，中间以楔形网格进行过渡，减少网格数量，加快收敛速度和结果精度［12］。

结果如图6所示，其中(a)为脐带塔封闭区内部对称面上稳定情况下温度分布趋势云图，由图可知，整个封闭区内部温度分布符合流体力学规律，上部空间温度较高，越接近下部，温度越低;(b)为脐带塔封闭区内部稳定情况下对称面上部、下部温度分布等值线图。由图6可知，温度变化较为剧烈的位置主要集中在空调出风口位置以及封闭区边界狭缝处，可知由于空调系统的效应，造成内外空间的温差并形成强烈的对流热交换。

图5 脐带塔电缆摆杆控制系统虚拟电控仿真平台Fig.5 Virtual simulaton platform of cable swinging rod control system

图6 脐带塔封闭区温度场建模与评估Fig.6 Modelling and evaluation of temperature feld of the closed-space

4 应用体会

4.1 发挥的作用

信息化、数字化是未来航天发射场的必然发展趋势。通过作者最近几年的相关研究工作，可以看到，虚拟样机技术在未来发射场建设，尤其是信息化建设中必将起到重要作用。概括起来，可以分为以下几个方面:

1)为实现发射场关键设备功能特性的精确、定量评估奠定重要技术基础。对发射场关键设备的功能、性能指标进行精确、量化分析与评估是发射场未来建设发展的必然要求。通过可视化建模、数值分析、有限元计算等方法，为上述目标的实现提供了具体而可行的技术手段。

2)为人员训练、能力评估提供直观、可视的平台。虚拟样机技术的应用使原来抽象、复杂的设备原理和结构形象化、具体化、直观化，从而为岗位人员的训练、能力评估提供了便捷的平台和手段。

3)为接口协调、技术会商、设备维修改造提供技术支持手段。虚拟样机技术的应用，使得我们在火箭与地面设备接口协调、技术会商和设备维修改造中能够及时、准确的掌握设备技术状态变化情况，确保接口的匹配性、协调性，改造的准确性、合理性。

4.2 经验体会

结合虚拟样机技术在载人航天发射场实际应用中遇到的技术问题，可以得出以下经验体会:

1)模型的精确性和复杂性问题。结果的准确性必然要求模型的精确性。但在实际工程应用中，如果不对实际模型进行适当的简化，就必然导致模型过于庞大和复杂，主要表现在模型数据量大、仿真运算速度慢，一些次要的现象和结果往往掩饰事物的主要规律和矛盾。因此，在实际应用中，必须要处理好模型的精确性和复杂性之间的矛盾问题。具体而言，就是针对需要的结果和分析对象，将模型进行充分的简化，将不影响主要规律和结果的次要问题进行简化，例如在回转平台结构有限元分析中，就可以将结构中的非承力件简化。

2)推广应用平台的构建问题。虚拟样机技术在航天发射场的应用必须要依赖良好的应用平台。如前所述，虚拟样机技术的应用包括很多基于不同软件和技术构建的具体模型和分析仿真结果。这些模型和分析结果的应用，尤其是在操作岗位的应用，必须要有一种基于统一平台的多种类资源应用系统，能够方便、快捷地实现交互操作和仿真运行，这样才能适应高密度常态化试验任务要求。作者体会，基于交互式电子技术手册的应用平台就是一种可行的选择。

5 结论

通过对发射场虚拟样机技术几个典型应用的分析介绍，可以发现，虚拟样机技术是发射场信息化建设和未来发展的重要技术基础;是发射场设计、建设、使用与维修保障，逐渐由功能性分析向性能性分析，由定性分析向定量分析，由经验分析向精确分析转变的必然要求;也是计算机技术和软件技术在发射场不断应用的必然结果。

虚拟样机技术是一个非常广泛的技术领域，在发射场的应用也必将随着发射场的建设发展而不断深入。充分发挥虚拟样机技术在发射场的作用和效能，提升发射场综合技术水平，仍是一个重要的课题和努力的方向。

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