航天器桁架结构快速设计方法研究

杨金军，姚 骏，彭海阔，顾志悦，王志国

(上海卫星工程研究所， 上海 200240)

航天器桁架结构快速设计方法研究

杨金军，姚 骏，彭海阔，顾志悦，王志国

(上海卫星工程研究所， 上海 200240)

随着航天事业的发展，桁架作为航天器主承力结构应用越来越广泛，并呈现大型化复杂化的发展趋势。传统模式下航天器桁架结构设计效率低下，无法适应“快速响应约束,迭代更新高效”等应用要求，制约桁架结构的发展。针对这一现象，文中基于自顶向下(Top-Down)设计模式和参照柔性相关思想，提出了航天器桁架结构快速设计方法，并进行了验证。结果表明，航天器桁架结构快速设计方法逻辑关系明确，简便实用，能够实现结构元件自动创建和装配，快速响应外部约束并自适应更新，能确保设计状态的迭代有效可控，显著提升桁架结构设计效率，可推广应用于航天器桁架结构设计。

航天器；桁架结构；自顶向下模式；柔性相关；快速设计

引 言

桁架具有净空间值高、受运载包络限制少等优点，多为高次超静定结构且刚度和整体性较好，因而越来越多地作为主承力结构应用到航天器结构中，且其结构形式呈现大型化、复杂化的发展趋势。

当前，随着航天事业的快速发展，航天器结构设计面临着“设计约束多样、迭代更新频繁、周期控制困难”的局面。而在传统设计模式下，桁架设计不仅需经过概念设计、详细设计等多个阶段迭代，设计工作量大且周期冗长[1]。同时，由于参照关系和装配关系复杂多样，常出现桁架结构基础数据修改而导致模型再生失败的现象，大大影响了设计效率，无法满足“快速响应设计约束、迭代更新高效”的需求。因此，亟需采用新的技术方法来提升桁架结构设计效率，促进桁架结构的应用和发展。

本文针对传统桁架结构设计的弊端，基于自顶向下(Top-Down)模式和参照柔性相关思想，提出了航天器桁架结构快速设计方法。实际应用验证表明，航天器桁架结构快速设计方法逻辑关系明确，简便实用，能够实现结构元件自动创建和装配，快速响应外部约束并自适应更新，确保设计状态的迭代有效可控，能显著提升桁架结构设计效率，可推广应用于航天器桁架结构设计。

1 航天器桁架结构快速设计基本原理

相对而言，桁架构型复杂、部件繁多、连接关系多样，如何实现管控构型、自动创建部件、快速装配是桁架设计的关键，而基于Top-Down模式，运用参照柔性相关的装配方法和多级骨架模型能够有效解决这些问题，实现桁架结构的快速设计和更新。

1.1 基于Top-Down模式的桁架结构设计

Top-Down模式要求先进行系统全局设计，使全局设计能够初步满足设计约束要求，而后才在全局设计的框架下进行详细设计，其本质上是设计数据从系统顶部传递到底端的过程。这种模式符合渐进设计过程和人员思维方式，且因自上而下的信息传递可以有效地适应外部需求变化而进行结构设计重构，极大地便利了设计状态的迭代和更新。

Pro/E软件提供了多种形式的数据传递方法实现Top-Down模式设计，骨架模型是其中较为常用的一种。骨架模型通常由基准面、基准线、基准坐标系和外形曲面组成，能够直观地表达空间包络约束和与设计有关的特征。通过骨架模型，一方面在设计初期就能够确定设计意图，定义初步的产品结构，另一方面可利用骨架模型传递信息的能力，将设计意图传递贯穿系统设计的全过程，便于自上而下的参数化设计变更[2]。

对于航天器桁架结构而言，运用自顶向下设计模式，建立桁架系统自上而下的骨架模型，利用骨架模型作为信息传递载体，在概念设计阶段通过对总体布局、外部参照等进行抽象和空间几何构建，将产品的功能规划转化为产品设计需求，反映产品的空间布局、拓扑关系等[3]，进而使产品设计趋于清晰，便于设计模型的确立；其次，基于自顶向下的信息传递和继承，设计意图和约束能够充分贯穿整个系统，辅以骨架模型驱动的产品参数化设计和变更，既能够非常方便地通过对上层基本骨架的调整来实现对下层设计的调整和修改，又不会影响到整个产品的装配关系，降低了设计模型迭代更新失败的风险[4]。

1.2 参照柔性相关

虽然基于自顶向下模式采用骨架模型进行数据信息传递，能够便捷地传递和继承约束信息，加强系统控制能力，但在详细设计过程中，仍存在着一个不容回避的事实，即基于Top-Down模式的设计将在设计模型中引入复杂直接参照关系，一旦出现元件替换、增删等情况，原有参照关系中的某一参照源就可能丢失，进而使设计状态失控，引发一系列问题。

为了确保设计状态有效可控，需要在自顶向下的设计过程中对各个层级参照源和参照关系进行归并和统一，避免形成复杂参考关系，保证设计状态的独立性和参照关系传递的准确性。

从Pro/E软件的设计思想上来看，参照是Pro/E全参数化建模的灵魂，其本质是特征或组件的定位标识，系统根据这些标识构件特征或定位组件。基于参照的本质，运用“参照柔性相关”的设计思想，在数据信息传递过程中，从骨架模型外部添加与骨架模型中参照源柔性相关的新参照源并进行传递。通过骨架模型和柔性参照两者的结合，不仅能够对设计模型的参照源进行归并和统一，简化内部参照关系，还能借助全面统一的基础参照，发挥骨架模型对设计状态的控制，确保设计状态的独立性，减少设计再生失败的现象。

2 航天器桁架结构快速设计方法

按照Top-Down模式，航天器桁架结构的设计过程分为结构全局设计、多级骨架模型创建、部件自动创建与装配设计3个环节。

2.1 结构全局设计

航天器桁架结构的装配层级通常为“系统→舱段→部件”。基于Top-Down模式的结构全局设计主要针对系统和舱段进行，是确定桁架包络空间、构型的关键步骤。典型的结构全局设计流程如图1所示。

图1 桁架结构全局设计流程

结构全局设计主要包括：

1)设计约束导入。全局设计的约束主要有外部参照、总体布局等，通常以基准坐标系、基准线、基准面和空间几何等形式反映到全局设计中。这些约束信息不仅表征结构构型的布局包络、设计空间等信息，还将作为系统顶级约束，在必要的时候向下级传递。

2)拓扑关系构造。在设计约束已知的前提下，通过对系统装配层级的分解和子级包络约束等，定义系统拓扑关系的构造，获取系统装配层级和子级包络以及基本元件的空间分布。

3)提取基础数据描述。根据系统的拓扑关系，提取桁架接头元件中心点，运用柔性参照相关的方法，基于基准坐标系对中心点进行一致性描述，使其获取柔性参照关系，形成结构空间构造的基础数据描述，为后续骨架模型和部件创建与装配等提供基础参照。

2.2 多级骨架模型创建

结构全局设计获取了桁架结构拓扑关系和空间构造的基础数据描述，而据此进行的多级骨架模型创建则是将全局设计由模糊概念向清晰构型转化的关键步骤。

在通常情况下，结构元件作为系统的基本单元不需要布局骨架模型，骨架模型只需布局于系统和舱段级。因此，桁架结构多级骨架模型创建主要包含系统级骨架模型创建和舱段级骨架模型创建2个方面。

1)系统级：创建结构系统骨架模型，定义系统的纵、横向骨架模型。在系统级，主要围绕系统拓扑关系开展骨架模型创建。为保证系统级骨架对系统模型具有足够的控制能力，需在统一空间描述的基础上，依据自顶向下的思路和结构拓扑关系，对子级骨架包络进行分解和归并，形成清晰明确的子级骨架连接关系和界面。

2)舱段级：继承系统骨架模型，创建舱段级骨架模型。在舱段级，主要围绕子级拓扑关系开展骨架模型创建。基于全局设计阶段形成的基础数据描述和对系统级骨架模型充分的继承，利用基础数据描述和基准面、空间曲线等元素，创建舱段级结构骨架模型。在舱段级骨架创建过程中，依据中心点基础参照，运用柔性参照相关的方法，通过参数化的接头杆件偏离关系，标定杆件装配局部坐标系，确保自上而下的骨架模型信息传导的正确性和控制能力，为后续部件创建和装配设计提供了统一参照。典型的桁架结构多级骨架模型创建如图2所示。

图2 多级骨架模型创建

2.3 部件设计与装配设计

通过创建多级结构骨架模型，形成了具有足够控制能力的多级骨架模型，使桁架构型逐步清晰。基于此，只需利用骨架模型的信息，即可完成部件自动创建和装配设计，实现桁架结构的实体化充实。

2.3.1 桁架杆件和桁架接头设计

由于舱段级骨架模型固化了桁架杆件的空间信息，因而需要充分利用舱段级骨架标定的空间位置信息，通过预置杆件模板，设计并创建骨架模型中特定曲线处的结构杆件。

在中心点基础数据描述的基础上，结合杆件与中心点之间的柔性参照关系以及骨架模型中定义的延伸方向，复制并向接头设计空间映射杆件几何截面信息，通过简单的实体特征操作，即可以全自适应的方式快速设计和创建桁架接头。

2.3.2 装配设计

避免过于复杂冗长的参照装配关系，是实现桁架结构快速迭代更新的重要保证。为确保桁架结构元件参照装配关系紧凑，充分利用自上而下的骨架对结构元件的有效控制，借助于多级骨架模型和柔性参照关系，采用统一参照、坐标系装配的形式，使得元件在设计前已经具有配合关系。创建及装配都在装配关系中进行，元件之间拥有共同的基础参照和一致的骨架模型，可有效地避免设计再生失败。与此同时，由于骨架模型间接的表征结构元件之间的装配关系，因而在完成结构设计后，可以通过可变参数的调整，非常方便地引起结构元件的适应性调整，极大地便利了结构三维设计。

3 航天器桁架结构快速设计应用

为简化行文，本文以单一装配层级的桁架结构为例，阐述桁架快速设计方法的应用。

3.1 桁架结构的全局设计

在桁架结构全局设计阶段，依次进行设计约束导入、拓扑关系构造、基础数据描述提取等步骤。

1)根据运载包络、布局需求等，抽象结构设计的外部约束，形成桁架结构统一的基础参照等；

2)在设计空间内进行结构拓扑关系构造，获取系统装配层级和桁架接头杆件的空间分布；

3)基于统一的基础参照，提取桁架接头中心点并进行一致性描述，使中心点获得局部参照基准。

结构全局设计最终形成的是桁架空间构造的基础数据描述，主要包括基础参照、中心点空间位置和一致性描述局部参照基准等，具体如图3所示。

图3 桁架结构全局设计

3.2 桁架结构多级骨架模型创建

根据全局设计获得的桁架结构基础数据描述，利用曲线将中心点首尾连接形成空间曲线，代表桁架杆件空间位置。逐一连接各中心点，直至生成结构骨架模型。结构骨架模型包含基准坐标系、基础参照、桁架基础数据描述和空间曲线等。典型的结构骨架模型如图4所示。

图4 舱段级骨架模型

为了确保自上而下的骨架模型信息传导的正确性和控制能力，将中心点作为部件的柔性装配参照，创建结构杆件装配局部坐标系(如图5所示)，设置该局部坐标系与接头中心点局部坐标系之间的偏离关系。

图5 杆件局部装配坐标系示意图

3.3 接头杆件自适应创建与装配设计

在前述结构骨架模型的基础上，根据结构杆件装配局部坐标系标定的空间位置，选择杆件模板并创建骨架曲线处的结构杆件，复制并向接头设计空间映射杆件截面几何，形成接头各通几何截面，根据杆件装配局部坐标系与接头中心点局部坐标系之间的偏离关系，以全自适应的方式创建生成桁架接头。杆件、接头创建如图6所示。

图6 杆件、接头创建示意图

借助于多层次骨架模型和柔性参照关系，采用缺省坐标系对齐装配等形式，使得部件之间拥有共同的参照基准和骨架模型，可以有效地避免结构设计再生失败，能保证骨架模型对桁架结构的有效控制。桁架结构设计完成后，仅调整骨架模型的可变参数，即可引起结构杆件和接头的适应性调整。典型桁架结构的创建与装配如图7所示。

图7 桁架结构

4 结束语

针对传统结构设计模式与当前航天器桁架结构快速设计需求的差距，本文基于Top-Down模式和参照柔性相关思想，提出了航天器桁架结构的快速设计方法。

实际应用验证表明：基于Top-Down设计模式，采用多级骨架模型和参照柔性相关的桁架结构设计方法，具有逻辑关系明确，简便实用等特点，能够实现部件自动创建和装配，加快结构设计对外部约束的响应，能确保设计状态的自适应更新有效可控，显著提升航天器桁架结构设计效率，可推广应用于航天器桁架结构设计。

[1] 齐从谦, 崔琼瑶. 基于参数化技术的CAD创新设计方法研究[J]. 中国机械工程, 2003, 14(8): 681-683.

[2] 毛君, 陈洪月. 基于Pro/E的自顶向下的产品参数化设计[J]. 机械研究与应用, 2007, 20(4): 102-104.

[3] 周运金. 基于Pro/E的两种自顶向下的设计方法[J]. 机械设计与制造, 2007(3): 80-82.

[4] 田蕴, 张慧. 基于Top-down数字化装配模式的产品设计[J]. 机械设计与制造, 2005(4): 60-61.

杨金军(1987-)，男，工程师，主要从事卫星结构与机构设计工作。

Research on Rapid Design Method of Spacecraft Truss Structure

YANG Jin-jun，YAO Jun，PENG Hai-kuo，GU Zhi-yue，WANG Zhi-guo

(ShanghaiInstituteofSatelliteEngineering,Shanghai200240,China)

With the development of the space industry, the truss as the main bearing structure of the spacecraft is becoming more and more extensive and presents the development trend of becoming large and complex. While in the traditional mode, the structure design of the spacecraft truss can′t adapt to the application requirements of the “quick response constraint, the iterative update” and so on, which restricts the development of truss structure. To solve this problem in this paper a fast design method of spacecraft truss structure is presented based on Top-Down design pattern and the flexible correlation theory. The results show that the design method is simple and practical. It can realize the design of structure element automatically created and assembled, the fast external constraint response and adaptive update and thus it can ensure that the design state of the iteration is effective and controllable and improve greatly the design efficiency of the truss structure. This method can be applied to the design of space truss structure and improve greatly the design efficiency of the truss structure.

spacecraft; truss structure; Top-Down mode; flexible correlation; rapid design

2015-08-18

V423

A

1008-5300(2015)05-0025-04