虚拟样机技术在雷达维护中的应用研究*

郭福生，姚 敏

(1. 中国人民解放军95365部队， 湖北 武汉 430071； 2. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

虚拟样机技术在雷达维护中的应用研究*

郭福生1，姚 敏2

(1. 中国人民解放军95365部队， 湖北 武汉 430071； 2. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

虚拟样机技术代表了最新的设计理念和先进的设计水平，能满足先进军事装备的快速研制要求，可有效提高研制效率和质量，缩短研制周期，降低成本。文中基于实际产品详述了虚拟样机技术在雷达设计及维护中的应用。虚拟样机技术的应用可有效降低雷达的研制风险，提高雷达的可维修性和产品质量。该应用为虚拟样机技术在电子机械领域的应用与发展提供了技术支持。

军事装备；虚拟样机；雷达维护；结构设计

引 言

虚拟样机是集成CAD设计、CAE仿真、VR可视化的综合数字化样机技术，在航空、航天、汽车、医疗等领域已得到广泛应用[1-3]。该技术可以集成于产品的全生命周期，可有效缩短产品研发周期，降低技术风险，提高产品质量，节约成本，成为企业发展的核心竞争力。虚拟样机技术在复杂电子产品雷达的设计、生产制造过程中也起到了越来越重要的作用，为未来雷达的小型化、快速设计指明了方向[4-5]。本文着重研究了虚拟样机技术在提升雷达可靠性以及雷达中后期维护中的应用。

1 虚拟样机技术在雷达可靠性设计中的应用

一个优秀的技术产品，其卓越的性能指标应该源于设计。而这卓越的性能指标离不开虚拟样机技术，雷达设计同样如此，设计过程中追求的是产品的全生命周期免维护。虚拟样机技术不断地提高设计师的设计水平，优化雷达产品，逐渐向着终极目标免维护即“0”故障逼近。

1.1 在雷达设计中的应用

首先，在雷达设计初始阶段就要用到虚拟样机技术，通过CAD全三维建模技术和渲染技术，把雷达的各个部分直观地呈现在用户面前，使用户对产品有更加直观的认识，可避免因沟通歧义造成的损失。然后对雷达各部分分系统的外观设计进行改进，使之与产品外观统型，使产品的外观具有继承性并更具企业特征。比如各产品LOGO的设计一般都要进行统一规范。这样设计出的产品才更具统一规范性，摆放在一起更具有美感，如图1所示。

图1 某产品显控台及机柜造型设计

其次，在雷达的详细设计过程中， CAE技术发挥着举足轻重的作用。CAD建模完成后，要进行干涉仿真、力学性能仿真、电磁兼容仿真、全三维布线等仿真分析，以减少产品的设计错误，提高产品的设计质量。图2所示为一些雷达分系统的仿真结果。

图2 雷达仿真分析

雷达产品经多次优化确定了如图3所示的雷达分系统设计流程。先进行概念设计，之后进行设计合理性的仿真验证；然后在此基础上进行结构和性能的改进和优化，优化后再次验证设计的正确性，合理则进行维修性仿真，不合理则返回优化阶段再次进行优化；最后进行可维修性的仿真验证和三维标注出图。此方式可有效减少设计时间和因设计造成的差错，实现快速设计。

1.2 用户交互式手册

在设计雷达的同时需要制作交互式用户手册，以提高雷达的维护/维修效率。交互式用户手册包含产品功能性介绍和产品维护手册。

图3 设计流程

产品功能介绍包括产品各功能模块介绍以及大型雷达的三维组装工艺，采用三维可视化技术解决产品信息的可视化和图形仿真，精确、低成本、高效率地进行装配、拆装、维护仿真和交互式客户设计，如图4、图5所示，并公布设计信息供研制人员使用、检查。

图4 某雷达天线座吊装示意图

图5 某雷达电源装配示意图

1.3 雷达电讯数字化虚拟样机

除了比较直观的雷达结构虚拟样机以外，电讯数字化虚拟样机技术在雷达的研发生产过程中也发挥着重要的作用。在概念设计阶段，可通过虚拟样机将战术指标分解为技术指标；在方案设计阶段，可通过虚拟样机构建雷达的具体架构，进行功能仿真；在系统联试阶段，可通过虚拟样机进行关键算法仿真；在工程研制、设计定型阶段，可通过虚拟样机技术进行数据分析、算法优化等。随着样机的不断完善和推广，仿真计算能力的增强可有效提升联试调试水平，随之而来的是产品性能的提升、外场联试时间的缩短和成本的降低。

2 虚拟样机技术在雷达维护时的应用

2.1 故障虚拟诊断

在对雷达产品用户进行培训时，可根据训练任务要求，在虚拟样机上加载不同的模拟故障案例。用户通过故障库模型学习了解某型雷达固有的或经常性的易发故障，从而有效提高其操作技能和处理故障的能力。

雷达是一个复杂的电器机电信息系统，其故障有可能是因多系统之间的耦合干扰形成的，所以排除起来也比较困难。一些“疑难杂症”经常需要多位雷达分系统专家协同才能解决。协同现代化的通讯手段可以实现雷达故障的远程专家会诊，一位电器工程师即可排除雷达多专业故障，降低了雷达的维护成本。

另外，在进行雷达电源、阵面T/R组件等批量比较多的调试件调试时，需设计虚拟雷达系统，模拟整个或局部雷达系统。这些组件在设计时就设置了调试接口，可以在调试台的虚拟系统上进行批量检测、调试，并在一些有可能出问题的电路模块设置了测试端口，以方便故障诊断定位。这样可以实现组件的快速调试，而且搭建虚拟调试系统可解决各雷达分系统之间的相互依赖，缩短调试周期。

2.2 虚拟维修

雷达将一些故障信号传输给控制终端，故障分析系统给出故障信号。用户可根据系统提示直接更换备件，全三维的交互式手册可给用户以更直观的操作指导。同时故障数据记录于后台的数据库，设计师对各模块的故障数据进行分析，对故障的发生原因进行追溯，以便对产品设计进行更新升级，提高雷达的可靠性。

对于一些大构建如雷达天线座、相控阵阵面等的组装、拆解、维修，可以通过虚拟样机技术制作更加精准的维修预案。它能够全面逼真地反映现实维修的空间环境，能够预判操作过程中可能遇到的碰撞、干涉等情况，可以对维修设备、维修工种以及维修时间进行正确评估，如图6所示。虚拟维修对雷达有限的操作环境(如山顶、天线罩内)来说是非常必要的。

图6 某雷达电源维护示意图

产品维修的过程少不了人的参与，产品移动的过程也就是人动作的过程。设计维修的可行性、舒适性也是衡量一个产品设计好坏的重要标准[9]。采用Delmia软件可以实现对设计产品的可视性、可达性、可操作性、舒适性以及安全性的仿真。仿真时加入人体模型和工具模型，对人为判断的一些难操作区域进行仿真验证。人机仿真部分验证工人工作空间的开敞性和动作的舒适程度，并且在特定工作空间内对操作人员的身高体型的要求进行模拟，以保证实际工作能高效、顺利地进行。

3 结束语

依托虚拟样机技术实现了雷达的设计协同、分析仿真、虚拟验证工作，优化了设计流程，达到了缩短雷达研制周期、降低研制与维修费用的目标。虚拟样机技术在雷达中的使用保证了产品质量的提升。它在雷达中的前期经验积累，为其在雷达中的应用与推广奠定了基础。如何进行不同软件、不同流程之间的衔接以及整体流程的规划与实现将成为虚拟样机技术未来几年研究的热点。随着虚拟样机技术的不断发展，其在雷达设计中的应用也将会有更加深入的研究。

[1] 闫雪锋, 段国林, 许红静. 面向复杂机电系统虚拟样机技术研究综述[J]. 计算机集成制造系统, 2014, 20(11): 2652-2659.

[2] 申承均, 刘晓娟, 盛力伟. 虚拟样机技术研究进展及发展趋势[J]. 农机化研究, 2008(8): 234-236.

[3] 马国红, 朱书林, 王聪, 等. 基于虚拟样机技术的机器人空间轨迹实现及仿真分析[J]. 电子工程信息, 2013(6): 12-14.

[4] 邵余红, 朱宝明, 陈荣, 等. 雷达信号处理分系统虚拟样机技术[J]. 电子工程信息, 2013(4): 30-39.

[5] 张道富, 王高飞. 雷达机械系统虚拟样机技术实现方法研究[J]. 现代雷达, 2009, 31(4): 87-90.

[6] 郑伟刚, 刘志军, 杨宁. 汽车转向泵支架的静态和模态分析[J]. 机械设计与制造, 2013, 35(5): 17-20.

郭福生(1979-)，男，工程师，主要从事雷达发射机操作应用研究工作。

姚 敏(1980-)，男，高级工程师，主要从事雷达发射机结构设计工作。

Application Research of Virtual Prototype Technology for Radar Maintenance

GUO Fu-sheng1，YAO Min2

(1.Unit95365ofPLA,Wuhan430071,China；2.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

On behalf of the latest design concept and the new design level, the virtual prototype technology meets the rapid development of the advanced military equipment. This technology can effectively improve the development efficiency and quality, shorten the research cycle and reduce the cost. The application of virtual prototype technology to radar design and maintenance is illustrated in detail based on the actual products. With this technology the risk of radar design can be effectively reduced and the maintainability and product quality can be improved. The application of virtual prototype technology to the radar provides technical support for application and development in electro-mechanical field.

military equipment; virtual prototype; radar maintenance; structure design

2015-09-20

TP391.98

A

1008-5300(2015)05-0062-03