为了实现航天器机构的设计分析资源共享和集成，通过对机构产品设计分析基本功能需求分析的基础上，基于MSC.SimManager软件提出了航天器机构设计分析门户的应用层架构和工作流程，并给出了系统实现的关键技术与实现方法，最后简要介绍了太阳翼数字化设计分析门户的实例。
    1 概述
    近年来由于航天器构造日益复杂，功能不断增多，需要采用各种机构来完成航天器的多种任务，机构已经成为现代航天器中必不可少的重要组成部分。目前在航天器机构的研制中已大量采用CAD/CAE技术，不仅大大提高了设计质量、而且缩短了设计周期、减少了试验成本。但是目前航天器机构研制过程中由不同的人或部门来完成设计与分析工作，存在模型和数据交接、结果等待和评判等过程，造成了整个设计流程的不畅通。同时由于在方案设计阶段往往缺乏足够的设计分析参数无法进行充分的仿真分析。因此如何整合这些与航天器设计分析相关的技术资源，开发数字化的设计分析门户系统，使之充分发挥创新设计的能力，从而快速、高效地完成产品的方案设计已成为当前迫切需要解决的问题。
    目前针对企业型号产品的研发流程软件的开发成为当今数字化技术研究的热点，许多CAE软件公司开发了各种开放性应用开发平台，用来构建了系统集成和设计仿真协同环境，而且可以实现各种型号产品或者系统的专用研发平台开发。其中  MSC公司开发的SimManager设计分析一体化虚拟产品开发管理平台，以虚拟产品开发为主轴，以B/S为架构，实现相关的设计和分析一体化集成框架环境，通过EAI 企业应用集成的方式无缝连接，SimManager平台系统可以实现在封装各种应用软件的基础上定制流程[1]。
    但是CAE公司推出的各种集成设计分析平台都是用于软件开发的框架，均需要根据具体产品的特点进行大量的二次开发和定制工作。例如航天器机构的设计生成的是三维实体模型，而有限元分析模型大量采用的是梁和板壳单元，这种情况下如何保证CAD/CAE模型的一致性是不能很好的解决的技术难题。本文根据航天器机构产品的特点和要求，基于SimManager软件框架，研究了常用CAD/CAE软件系统集成技术，解决了机构产品设计分析门户实施的部分技术难点，并且开发了航天器太阳翼机构数字化设计分析门户实例。
    2 门户的基本概念与要求
    2.1 门户的基本概念
    门户（portal）一词源自于中世纪拉丁语portale（城门），一般指大门和入口。在互联网时代，一般而言，门户是将上下文相关信息、应用程序和服务合并在一起的Web站点，门户对提供给用户的复杂多样的信息和服务进行提炼，简化为一个满足用户需求和利益的单一界面[2]。建立数字化设计分析门户的意义在于为设计师提供访问所需信息的单一入口，只要在本地计算机打开浏览器，访问门户网站，完成一次用户验证，即可访问到自己工作所需的各种信息资源和工具软件。
    2.2 航天器机构设计分析门户的基本要求
    根据航天器机构产品研制的流程和特点，对于机构设计分析门户开发需满足如下要求:
    1)完整性。应能全面支持机构产品方案设计的主要工作环节，使设计师在系统提供的集成环境下完成机构产品的主要设计分析工作，例如三维虚拟装配、模态分析、展开动力学分析等功能。
    2)多样性。必须适用于不同卫星平台的机构产品，机构型谱库应包含尽可能多的零部件，设计平台应支持多种不同的设计分析方法。
    3)可扩充性。应保证较好的可扩充性，能不断对系统进行扩充，适应新的机构类型，吸取新的设计理论和设计方法，保持系统有较好的适应性和旺盛的生命力。
    4)可验证性。应利用计算机的仿真和分析功能，实现对复杂设计结果的正确性验证，并采用较为清晰直观的形式提供验证结果，保证设计者能准确评价设计结果。
    5)简便性。系统应尽可能追求使用的简便性，采用基于Web的普遍访问方式，设计师不需下载客户端程序，也不需任何插件，最大程度地提高设计和研究效率，使系统更好地发挥作用。
   6)安全性。支持门户访问的安全控制，一次登录用户一次登录可以访问权限范围内的所有资源。
    3 机构设计分析门户总体方案
    3.1 系统开发目标
    基于仿真数据管理软件—MSC.SimManager，把机构产品设计分析过程常用的CAD/CAE软件和工具集成在一个统一的平台上，开发航天器机构设计分析门户系统，通过对设计分析过程中数据和流程的管理，保证机构数字化设计分析的数据流畅，并且机构设计师工程师通过优化的软件流程，可以独立、准确和快速完成机构产品的方案设计分析工作，从而达到提高设计效率和质量的目的。
    3.2系统应用层构架设计
    由于航天器机构构型复杂，零件繁多，因此按照机构部件在产品中的相互位置关系、所起的作用和实现的功能分为多个相对独立的部件，并按照型谱类型把每种部件的关键设计参数信息存储在数据库中，在设计时可以选择不同型谱的部件进行组合设计，程序按照预先定义好的拓扑关系自动组合装配。该门户系统系统运行需要基于三个支撑数据库，分别为设计信息数据库、分析信息数据库和三维模型数据库。机构的零部件三维参数化模型根据产品的型谱存储在三维模型数据库中，每种零部件对应的设计分析信息也存储在数据库。门户系统包含若干个模块：设计向导模块，三维设计模块（例如Pro/E)、有限元分析模块（例如Patran）等，同时把强度分析、多体动力学分析、可靠性预计和静力矩裕度计算等功能封装并集成，整个系统的应用层构架如图1所示[3]。各模块和应用使用挂入式结构，可采用了不同的工具和技术，最后通过SimManager将其有机地集成在一起。随着新技术的发展和相关专业的扩充，可以根据需要在现有模块基础上进行扩充完善，添加新的设计分析功能。

    图1 门户系统应用层构架设计

    3.3 系统工作流程设计
    根据航天器机构设计分析门户的系统构架，可以采用如图2所示的工作流程：
    1）机构设计工程师根据航天器总体下达的设计要求，对设计任务进行分析，形成初步的方案构想；通过本地计算机的浏览器登陆机构设计分析门户页面，在设计向导的提示帮助下，在页面中依次输入或选取各个零部件的主要设计分析参数，然后选择需要启动的应用程序，最后提交服务器后台进行设计分析。
    2）服务器的应用程序根据设计师提交的设计参数，从三维模型数据库中自动读取并复制所需的零部件模型，然后启动Pro/E软件，驱动模型更新，并自动虚拟装配成所需的机构三维模型。
    3）有限元分析软件Patran的二次开发程序根据输入的设计信息和机构三维实体模型，自动创建太阳翼的有限元模型，再进行结构静力和模态分析，得到机构产品的结构力学特性，并且输出.mnf格式文件，用于下一步的机构分析软件建模。
    4）机构分析软件ADAMS软件的二次开发程序根据设计师输入的设计信息，读入基于有限元模型生成的.mnf文件，创建对应机构产品的机构动力学模型，然后进行机构运动学与动力学分析。
    5）设计应用程序根据设计师输入的设计信息进行可靠性预计分析和静力矩裕度计算工作。
    6）在上述设计分析过程完成后，服务器程序把所有的模型与结果文件存储在数据库中，同时自动生成设计分析结果报告，设计师可以下载到本地计算机查看详细结果。

    图2 系统工作流程

    4 机构设计仿真门户关键技术与实现方法
    4.1三维模型自动虚拟装配
    根据航天器机构产品的特点，可以把零件三维模型分为三种类型：一类零件是可以直接调用机构产品型谱库中的零部件，不需要重新建模，可以在装配时直接引用，例如太阳翼的铰链、压紧释放装置；另一类零件是机构产品型谱库中的零部件进行衍生，修订和拓扑结构变化，可以通过参数化创建零部件模型，例如太阳翼的基板和连接架；最后一类零件是完全进行重新设计，然后向零件库中添加新的模型。三维设计模块是基于三维设计软件（例如++++Pro/E）进行二次开发的程序，该程序根据设计向导输入的设计信息，自动从设计模型数据库读取零件模型，通过参数驱动零件更新。然后把零件模型读入到三维设计软件中，根据机构产品预先定义好的装配关系，进行虚拟装配，自动生成对应的机构三维实体模型。
   4.2 有限元模型自动建模
   由于航天器机构的构型复杂，机构的有限元分析模型一般采用梁和壳单元来等效建模，无法把CAD模型导入到有限元前处理软件中进行网格划分建模，因此结构动力学分析模块可以采用结构分析软件MSC.Patran提供的二次开发技术（PCL语言编程）来实现自动建模。结构分析模块根据设计向导输入的设计要求，从设计和分析数据库中提取建模所需的信息，按照机构部件间的装配拓扑结构关系，自动创建对应的机构有限元分析装配模型，自动划分网格并赋予各种力学和材料属性参数，然后进行静力或模态分析。同时输出柔体中性文件（.mnf）用于后续的机构多体动力学分析。
    4.3 多体动力学模型自动建模
    机构的多体动力学模型自动建模也是通过对多体动力学分析软件（例如MSC.Adams）的二次开发技术实现。设计平台启动ADAMS之后，将自动载入由结构分析模块输出柔体模型文件（.mnf），根据设计向导输入的信息，预先定义好的cmd文件模板自动进行模型装配、施加约束和驱动，生成机构的多体动力学分析模型，设计师然后利用该模型进行机构运动学和动力学仿真分析。
   5 开发实例
    通过几十年来对太阳翼技术的研究和发展，太阳翼机构已成为航天器上最常用的机构之一，并初步形成了一系列的太阳翼机构产品型谱。因此通过对太阳翼数字化设计系统技术进行了深入研究，基于SimManager开发了如图3所示的太阳翼数字化设计分析门户。该设计分析门户能够实现自动创建太阳翼三维模型、结构有限元分析模型和展开动力学分析模型，包含了太阳翼构型设计、压紧点数量和位置设计、质量特性分析、可靠性预计、模态分析和展开锁定动力学分析等功能，可以为太阳翼设计师提供数字化的设计分析集成环境[4]。

   图3 太阳翼数字化设计分析门户

    6 结论
   通过对航天器机构设计分析门户技术研究可以得到以下结论：
   1)提供了集成设计环境，提高了设计质量和效率。理顺了航天器机构各设计和分析环节间的关联机理，集成分散的设计分析活动，并消除各软件间模型和信息共享的障碍，实现航天器机构设计分析的并行化、一体化和集成化，实现设计-评价-修改整体大循环。
   2)提供了仿真分析环境，改善研究手段。在平台系统的集成环境中，提供机构产品三维CAD和有限元的数字化模型，利用丰富的计算机仿真和分析工具，对数字化模型进行仿真、分析和处理，有助于对航天器机构进行深入的工程分析和研究，寻找提高机构产品综合性能的技术方案。
   3)建立一系列共享模型和信息数据库，简化设计分析过程，减少设计中的重复工作；提供了设计分析模型自动生成功能，将大大提高工作效率。
    7 参考文献
   [1] 金毅民.虚拟产品开发的设计分析一体化集成平台.CAD/CAM与制造业信息化，2005（12）:52～54
   [2] 戴彬.项目信息门户的概念及实施分析.同济大学学报（自然科学版）,2005,33(7):990～993
   [3]　MSC.SimManager 2005r2 Configuration & Deployment Guide. MSC.Software公司:35
   [4] 曾福明，杨宝宁等.太阳翼数字化设计平台系统技术研究.中国宇航学会飞行器总体专业委员会2006年学术研讨会论文集，2006：402～405

 

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