空间环境模拟设备低温系统研制中的软件应用及参数化驱动设计

单巍巍，刘 洋，吕世增，李 昂，丁文静

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

空间环境模拟设备的功能是为航天器及其部组件提供真空热试验时的真空、冷黑及热辐射环境，其中冷黑环境由热沉和低温系统来实现。20 世纪90 年代，空间环境模拟设备的研制数量少、周期长，其设计理念沿用传统的单一系统独立设计和研制，无法做到分系统协同设计；在设计成果上仅能运用理论公式计算并产生二维图纸。随着对空间环境模拟设备需求的日益增长以及计算机辅助分析技术的突飞猛进，这种传统的设计模式和理念已远远不能满足设计方和用户的要求，而仿真建模和仿真分析成为最受关注的设计手段，在空间环境模拟设备研制中得到越来越多的应用。

本文详细阐述仿真软件在空间环境模拟设备低温系统设计中的应用；针对参数化驱动设计方法，依托Inventor 软件平台，对热沉系统进行协同设计平台开发；最后对氮系统零件库的动态扩充提出思考和建议。

1 软件应用实例

1.1 FloMASTER 软件

FloMASTER 软件是用于一维系统设计的仿真平台。在亚洲第三大空间环境模拟器KM8 的热沉系统设计研制中，利用该软件对热沉整体结构进行一维仿真，将流体网络简化为一系列流体管道元件组成[1]；分别对筒体热沉、顶部热沉、活动热沉和颈部热沉等的液氮循环流量分配进行仿真计算。以一段筒体热沉作为分析对象，其三维模型如图1 所示。一共有20 片胀板，采用中间进/中间出的供回液结构，给定进口压力和出口流量作为边界条件，进行FloMASTER 的一维稳态仿真计算，结果如图2所示，图中横坐标为胀板序号，纵坐标为胀板内的液氮流量。可以看到，在最中间的胀板流量最大，两侧逐渐减小，基本呈对称分布。

图 1 热沉组件三维模型Fig. 1 3D model of shroud assembly

图 2 筒体热沉流量分配结果Fig. 2 Distributions of flowrate of cylindrical shroud

对于活动热沉，采用的是Z 形供回液模式，在给定进口压力和出口流量的边界条件下，得到如图3所示的流量分配结果。可看出，最中间的胀板流量最少，两侧逐渐增大，呈对称分布。

图 3 活动热沉流量分配结果Fig. 3 Distribution of flowrate of the movable shroud

1.2 Fluent 软件

运用Fluent 软件，借助计算流体力学（CFD）原理和有限元方法对热沉内部的流动和换热进行仿真计算，得到热沉壁面温度分布。使用三维图形处理软件Pro/E 建立胀板热沉的三维模型，并将该模型导入Fluent 自带的网格划分软件进行网格划分、生成网格文件，然后导入Fluent 求解器中。设置压力和流量边界条件，定义胀板为不锈钢材料，选取求解策略，得到筒体热沉、顶部热沉、活动热沉和颈部热沉的壁面温度分布仿真结果，如图4所示。可以看出：伴随液氮的整个流动方向，温度逐渐升高；整个胀板的壁面温度均低于100 K，达到技术要求。

图 4 筒体热沉、底部热沉、活动热沉和颈部热沉的壁面温度分布Fig. 4 Temperature distributions of the cylindrical shroud, the bottom shroud, the movable shroud and the auxiliary shroud

1.3 Pro/Engineer Mechanica

Pro/E 作为参数化建模软件，可以快速建立直观的三维立体模型。对于空间环境模拟器中的各种设备（如容器、热沉等），运用Pro/E 建模都是很不错的设计选择。

同时，在CAE 方面，Pro/E Mechanica 具备分析机构运动和结构应力的能力。Pro/E Mechanica 的集成模式方便用户直接采用Pro/E 的实体模型来进行结构分析，快速上手，节省二次建模时间。也就是说，通过Pro/E 前台所建构的几何模型，可完全转换到Pro/E Mechanica 中进行结构/应力分析。Pro/E Mechanica Structure 专门用于零件和组件模式下的结构分析，其分析种类有静态分析、模态分析、失稳分析、接触分析、预应力分析以及振动分析等。

在某大型空间环境模拟器热沉结构设计中，首先使用Pro/E 进行热沉的三维建模（如图5 所示），然后借助Pro/E Mechanica 进行热沉骨架的强度校核，结果见图6 和图7。

图 5 热沉部件的三维模型Fig. 5 3D model of each the shroud parts

图 6 热沉骨架工作状态受力结果Fig. 6 Analysis result of stress of the heat sink skeleton under working condition

图 7 骨架运输状态应力计算结果Fig. 7 Analysis result of stress of the heat sink skeleton during transportation

Pro/E 下的Piping 模块也同样具有很强的工程实力，可以进行管道系统的建模和设计，包括自定义管道库和规范化管道库驱动设计。在大中型空间环境模拟器系统管路设计中，已经运用Piping 模块进行三维管道设计，通过参数驱动进行管道、阀门、法兰等的创建和生成。首先对氮系统标准设备建模，装配在设计位置；然后进入Piping 模式，进行管道布置，包括阀门、管接头、法兰等标准件的安装和配置。图8 为某大型空间环境模拟器氮系统的三维管路布局，根据图中管道的不同颜色可以区分出其不同功能。另外，还可以通过三维管路模型统计出管道系统的各种参数，如管道规格、长度以及标准件等详细信息。

图 8 氮系统管路三维设计Fig. 8 3D design of piping for the nitrogen system

2 空间环境模拟设备参数化集成设计

无论在三维设计还是仿真计算中，建模往往是最耗费时间的，而空间环境模拟设备产品功能的相似性决定了其设计和研制在结构上有很大的继承性和延续性。因此，如何实现参数化驱动，简化建模工作、提高设计效率是今后设计工作的当务之急。另外，三维零件库也是设计平台中的重要组成部分——对于标准件，用户仅需要从库中提取即可实现快速装配。因此，如何扩充三维零件库也是需要研究的内容之一。

2.1 参数化集成设计方法

空间环境模拟设备包含容器系统、真空系统、低温系统和测控系统等分系统，不同分系统的设计人员使用的设计软件平台也不尽相同，如Inventor、Pro/E、SolidWorks 等。当需要进行环境模拟设备各分系统整体装配或进行设备布置时，不同的软件平台会造成无法对各分系统进行协同设计，从而导致重复性设计，影响了工作效率。

针对上述问题，对空间环境模拟设备各分系统及关键设备进行三维软件的参数化驱动设计开发。根据参数化驱动设计理念，依托CAD/CAE 软件和数据库软件进行二次开发，进行参数化建模设计，即：以Inventor 为开发平台，使用C#为开发工具，开发出一款专门的空间环境模拟器数字化集成设计平台。该平台采用封装隔离的方式，将Inventor的参数化相关功能进行封装，并提供给上层模块进行应用调用，可使软件平台上层模块不依赖于所使用的CAD 软件。各系统的具体参数化建模流程参见图9。该数字化集成设计平台支持从整体布局、结构设计到分析的自动化辅助设计，并能实现设计方案及报告的自动生成。

图 9 空间环境模拟器数字化集成设计平台软件参数化建模流程Fig. 9 Flow chart of parameter driven modeling of the digital integrated platform for space simulator design

2.2 热沉系统设备参数化驱动设计

参数化设计技术[2-5]的本质是在可变参数的作用下，零件或系统能够自动保持其原来的所有不变参数或主要结构。参数化设计要求设计人员根据需求来建立这些参数的基本关系，使当某些参数的数值发生改变时，参数间的关系维持不变。这些建立起来的约束关系则体现了设计人员的设计思想和意图。通过参数化来驱动关键尺寸完成三维模型设计，与传统的二维设计相比有很大优越性，可节省重复操作软件的时间，编辑友好人机交互界面，降低专业软件使用难度，更适合于结构一致但需要修改关键尺寸的产品，例如热沉。

在提出在线参数化驱动零件设计的思路后，如何将成熟的产品参数抽取、总结成为驱动化参数对设计者来说是最关键的一步。以低温系统中的热沉为例。热沉属于非标零件，但同等尺寸系列和形式的热沉又有着重要的共同特征；对于不同尺寸的热沉，因为结构形式有其各自特点，不同尺寸的热沉模型或设计图纸不可通用、互换，因此有大量设计出图工作需要不断重复。如何提炼参数以便通过关键参数的驱动完成热沉的基本三维模型设计是关键中的关键。图10 所示为卧式热沉的参数化驱动设计流程。图11 为用户与软件的交互窗口，可以进行修改参数、重新生成模型等操作。图12 为基于设计流程思想，依托数字化平台软件得到的热沉三维模型。在这款开发软件中，针对新的设计任务，设计人员不需要对热沉胀板、骨架等零部件重新建模，仅需要对热沉的关键参数进行输入或修改，即可生成热沉三维效果图，大大节省了建模的时间，提升了工作效率。

图 10 热沉参数化驱动设计流程Fig. 10 Flowchart of parameter driving design of shrouds

图 11 热沉参数化驱动设计交互窗口Fig. 11 Interactive interface between user and software

图 12 热沉参数化驱动设计结果输出Fig. 12 Output results of parameter driving design of shrouds

2.3 氮系统零件资源的动态扩充

对氮系统来说，既有标准件也有非标件。标准件主要指阀门（包括低温手动阀和低温气动阀门）、泵、贮槽、压缩机和传感器等。对于标准件来说，零件库的扩充需要跟上产品更新的速度。因此，更新标准件的零件库是一项重要任务。

研究认为，关于三维零件的零件库建立和扩充，模型模板和参数系列的数据存储方法是比较节省系统维护和系统规模的一种方法[6]。以低温气动调节阀门为例，对于统一品牌和型号的气动阀门，其外观基本一致，只在阀门通径上存在区别。故可在已经建立的零件库中存入气动阀的模型模板和参数列表，若想生成同类型不同通径尺寸的气动阀，则调用数据库中的气动阀模型模板，修改相应参数，以生成新的气动阀门模型。

非标件主要是大量的不锈钢金属保温管道。氮系统的设计工作主要集中在管道布置及流程设计上。如果通过传统的扫描操作来实现管道设计，则管路的修改、替换等操作难于实现，会产生大量的重复性工作，造成效率低下、耗费时间长。因此，对于非标件来说，需要通过参数化驱动来实现管道的布置和修改等。如前所述，在大中型空间环境模拟器系统管路设计中，已经运用Pro/E 的Piping 模块进行三维管道设计，取得了生动的三维效果。

然而，氮系统和其他分系统因为软件平台的不同而缺乏相互的信息共享和有效联系。今后，应将各种软件间的数据交互及信息共享作为提升设计能力，实现协同化设计工作的核心。

3 结束语

为缩短空间环境模拟设备的研制周期，快速响应各环境模拟设备的研制需求，各分系统的设计效率亟待提高。本文叙述并运用参数化设计的基本原理，通过对专业模型参数化技术的研究，给出参数化的各主要节点和驱动设计流程；并以热沉系统的参数化设计为例，验证了设计流程的有效性。最后，对氮系统的零件库动态扩充进行初步的探讨，为将来深入研究奠定了基础。