CN109063293A - 一种基于虚拟仿真技术的卫星总体总装设计风险识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟仿真技术的卫星总体总装设计风险识别方法，属于卫星装配技术领域，特别是涉及一种卫星研制模式中总体总装设计风险识别，对卫星总体总装设计实施仿真分析的方法。本发明通过虚拟仿真技术在设计阶段就可提前识别总装过程可能出现的风险，从而优化设计结果，确保总体总装设计的合理性和可实施性，对实际总装操作具有指导意义。

Description

一种基于虚拟仿真技术的卫星总体总装设计风险识别方法

技术领域

本发明涉及一种基于虚拟仿真技术的卫星总体总装设计风险识别方法，属于卫星装配技术领域，特别是涉及一种卫星研制模式中总体总装设计风险识别，对卫星总体总装设计实施仿真分析的方法。

背景技术

随着卫星数字化研制模式的不断探索和推进，已开始卫星的数字化研制，最终目的是利用三维模型设计替代以往的二维图纸设计，来指导卫星的总体总装设计工作，达到统一数据源、提升信息传递效率，缩短研制周期的目的。

卫星总体总装在卫星研制流程中占有重要地位，很大程度上决定了卫星的最终质量、制造成本和周期。卫星总体总装设计主要包括总体布局、总装设计两方面内容，卫星总体布局需考虑各分系统仪器设备、热控、结构、电缆网等多学科多系统的机械接口，在布局阶段就需考虑布局对卫星总装设计的影响，并对总装风险进行提前分析与预判。卫星总装要求高精度、高质量，总装过程中可能出现操作困难、装配干涉等问题无法预知。现有研制模式为依靠经验及人脑想象去预估总装过程可能出现的风险，或在现场出现问题时再解决，仅有定性分析，无量化控制，不能有效提前识别风险，指导总体总装设计工作，增加成本，影响卫星总装效率和研制周期。

目前，卫星总体布局设计已实现了基于同一数据源模型的三维设计，总装设计中电缆网设计、直属件设计、接地设计等也已完成了三维设计及投产，基本已形成了一套完整的卫星数字化模型，为实现总体总装虚拟仿真提供了数据基础。不仅提升研制效率、缩短研制周期，同时也节约资源，降低了研制成本，取得了阶段性的效果。

卫星进行总体总装三维设计后，直接进入实物总装阶段，往往在总装现场才暴露问题，再进行改进设计，并重新评估改动可能带来的风险，该环节周期长，严重制约了卫星的研制进度和效率。为了避免卫星实际总装过程中可能出现的风险，如仪器设备无法装配、临时调整总装流程等，可能导致增加卫星研制周期、降低卫星产品质量等。在卫星总体总装设计过程中，需引入虚拟仿真技术，对卫星总装风险进行识别。

发明内容

本发明的技术解决问题时：克服现有技术的不足，提出一种基于虚拟仿真技术的卫星总体总装设计风险识别方法。

本发明的技术解决方案是：

一种基于虚拟仿真技术的卫星总体总装设计风险识别方法，该方法的步骤为：

(1)建立仪器设备布局的模型A、热控布局的模型B、结构布局的模型C、电缆网模型D；

所述的仪器设备布局的模型A中包括若干个仪器设备；

所述的热控布局的模型B中包括热管的外形尺寸、热管的类型属性和加热片的外形尺寸，其中，热管的类型属性包括预埋热管和外贴热管；

所述的结构布局的模型C中包括舱板的外形包络尺寸和舱板的位置信息；

所述的电缆网模型D中包括电缆网外形包络尺寸和电缆网绑扎固定点位置；

(2)采用MBD(Model Based Definition)技术将步骤(1)中建立的模型A中仪器设备的安装信息录入到三维模型的附属信息中，以作为后续仿真分析的输入数据，建立仪器设备的安装信息集；模型A中包括若干个仪器设备，每台仪器设备的安装信息包括仪器设备的名称、仪器设备的代号、仪器设备的安装尺寸、仪器设备的安装孔数量、仪器设备的安装孔规格、仪器设备的安装参考点R点的坐标和仪器设备的外形尺寸；

(3)建立总装技术状态信息集，总装技术状态信息集包括步骤(1)中模型A中的仪器设备配套工装和卫星本体姿态，其中，仪器设备配套工装是指安装该仪器设备时所需的工装；卫星本体姿态是指安装该仪器设备时卫星本体姿态，卫星本体姿态包括卫星本体的+Z轴向上的状态、卫星本体的+X轴向上的状态、卫星本体的+Y轴向上的状态、卫星本体的-X轴向上的状态、卫星本体的-Y轴向上的状态；

(4)建立数组A，数组A中的元素为步骤(1)中模型A中的仪器设备，仪器设备的属性包括仪器设备的安装信息、总装技术状态信息、卫星本体姿态、仿真类别和检查状态；仿真类别包括无仿真、装配仿真和人机仿真；检查状态分为已经检查状态和未检查状态；

(5)建立约束条件，约束条件包括：仪器设备之间的距离不小于f、仪器设备与电缆网之间的距离不小于h、仪器设备与舱板无干涉、仪器设备的安装点与非安装板间距不小于g、仪器设备的外缘与外贴热管外缘的距离不小于h、仪器设备的外缘与加热片外缘的距离不小于h、仪器设备的安装参考点R点与预埋热管边缘距离不小于h、仪器设备装配路径中具有人员操作的空间、仪器设备安装位置可见、仪器设备装配路径上与星体的其他部位不发生干涉；

(6)仿真风险分析，逐个遍历数组A中的元素，首先取第1个元素，若此元素的检查状态为未检查状态，则：

(a)计算该元素与其他仪器设备外缘之间的距离，若距离小于f则提示风险；

(b)判断该元素与结构布局的模型C中的舱板是否干涉(除接触干涉外)，若有干涉则提示风险，若无干涉，排除接触干涉的舱板(即设备安装板)，计算该元素每个安装点与各舱板之间的距离，判断最小距离是否大于等于g，若最小距离小于g，提示风险；

(c)计算该元素外缘与加热片外缘或外贴热管外缘之间的距离，若最小距离小于h，则提示风险；

计算该元素外缘与预埋热管外缘之间的距离，若最小距离小于h，则提示风险；

(d)计算该元素与电缆网的最小距离，若最小距离小于h，则提示风险；

(e)根据该元素的仿真类型，如仿真类型为人机仿真，则判断虚拟人的操作空间包络是否与卫星其他部件发生干涉，若干涉则提示风险；

(f)根据步骤(e)的人机仿真，判断虚拟人是否对安装部位可视，即视线覆盖该元素的安装部位，若视线未覆盖(即不可视)则提示风险；

(g)根据该元素的仿真类型，判断是否为装配仿真，如为装配仿真，则需对该元素的装配路径进行仿真，并计算装配路径上是否与卫星上的其他部位发生干涉，如发生干涉，则提示风险后进入步骤(h)，否则直接进入步骤(h)；

(h)设置该元素检查状态属性为已检查；

按照步骤(a)-步骤(h)，逐个遍历数组A中的其他元素，直至数组A中的元素状态均为已检查状态，遍历完成；

(7)根据步骤(6)提示的风险进行优化，重复步骤(1)-(6)，直到无风险提示为止，达到优化总体总装设计的目的。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)提供一种基于虚拟仿真的总体总装设计风险识别方法，通过虚拟仿真技术在设计阶段就可提前识别总装过程可能出现的风险，从而优化设计结果，确保总体总装设计的合理性和可实施性；

(2)搭建了一套卫星仿真模型，定义了多专业的布局模型，包括热控、结构、电气设计等，并分析各专业模型对卫星总体总装设计的影响；

(3)通过三维仿真直观的了解不同总装阶段的卫星状态，对装配路径、操作可行性等进行了分析，对实际总装操作具有指导意义。

附图说明

图1为卫星总装过程仿真方法流程图；

图2为仪器设备布局示意图；

图3为数组A的实例示意图；

图4为设备装配仿真示意图；

图5为优化后仪器设备布局。

具体实施方式

坐标原点O位于卫星本体下端框与运载火箭机械分离面内，与1194A接口的理论圆心重合；

X轴(卫星的滚动轴)：过原点O与卫星东板理论法线方向平行，正方向与东板外法线方向一致；

Z轴(卫星的偏航轴)：过原点O与承力筒轴线平行，正方向指向对地面方向；

Y轴(卫星的俯仰轴)：与X和Y轴构成右手直角坐标系，正方向与南板外法线方向一致。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提出的一种基于虚拟仿真技术的卫星总体总装设计风险识别方法，步骤如下：

(1)模拟卫星舱板上仪器设备布局，如图2所示，建立仪器设备布局模型包含设备1、设备2，热控布局模型包含预埋热管3、预埋热管4、加热片5、加热片6，结构布局模型包含舱板7、舱板8，电缆网模型包含电缆束9。他们之间的位置关系为：设备1与设备2安装于舱板7上，舱板7与舱板8为垂直状态连接，舱板7内安装有预埋热管3、预埋热管4，在预埋热管3上于设备1的+X侧外贴有加热片5，在预埋热管4上于设备2的+X侧外贴有加热片6，在设备1与设备2的-X侧安装有三个电缆支架，电缆束9固定于三个电缆支架上，距离舱板安装面46mm。

(2)建立仪器设备安装信息集，采用MBD技术将设备1和设备2的安装信息录入到三维模型中，包括仪器设备的名称、代号、安装尺寸、安装孔数量、安装孔规格、外形尺寸和R点坐标；

(2.1)设备1的安装信息如下：设备名称为设备A，设备代号为001，安装尺寸为135mm×78mm，安装孔数量为4，安装孔规格为M4，外形尺寸为150mm×150mm×103mm，R点坐标为(105mm,320mm)；

(2.2)设备2的安装信息如下：设备名称为设备B，设备代号为002，安装尺寸为135mm×49mm、135mm×98mm，安装孔数量为6，安装孔规格为M4，外形尺寸为150mm×150mm×113mm，R点坐标为(130mm,100mm)；

(3)建立总装技术状态信息集，设备1和设备2安装时，卫星本体姿态为+Z轴向上状态，其中，设备2考虑在卫星上进行拆装，因此，需在其他仪器设备已安装完成的状态下进行设备2的装配仿真，且需借助工装10。

(4)建立数组A，其元素类型为仪器设备，仪器设备的属性包括步骤(2)中的安装信息、步骤(3)中的总装技术状态信息、仿真类别和检查状态。建立的数组A，按照步骤(1)中的仪器设备布局，完成数组A的实例化数据，如图3所示。

(5)定义约束条件，仪器设备之间的最小距离f的取值范围为5mm～10mm，仪器设备的安装点与非安装板之间的最小距离g的取值范围为15mm～20mm，仪器设备与电缆网之间、仪器设备的外缘与外贴热管外缘、仪器设备的外缘与加热片外缘、仪器设备的安装参考点R点与预埋热管边缘的最小距离h的取值范围为10mm～15mm。本发明中，取f＝5mm，g＝15mm，h＝10mm，此外，要求仪器设备与舱板无干涉，仪器设备装配路径上与星体的其他部位不发生干涉。设备1与设备2安装位置可见、且具备操作空间。

(6)遍历数组A中的元素，首先取第一个元素设备1，设备1未检查，则：

(6.1)以设备1的R点位置(105mm,320mm)为参考点，计算设备1与其他设备的距离，最小为60mm，根据约束条件判断大于f＝5mm，无风险，则进入步骤(6.2)；

(6.2)设备1安装于舱板1上，舱板2为非安装板，判断设备1与舱板2距离119mm，无干涉，无风险，进入步骤(6.3)；

(6.3)根据设备1的R点坐标以及安装尺寸，计算出设备1的安装点坐标为：安装点1(105mm,320mm)、安装点2(105mm,398mm)、安装点3(240mm，398mm)、安装点4(240mm，320mm)，计算安装点与舱板间距最小为102mm，大于g＝15mm，无风险，进入步骤(6.4)；

(6.4)计算设备1的安装点3、安装点4与预埋热管3的最小距离为7mm，小于h＝10mm，提示存在风险，进入步骤(6.5)；

(6.5)计算设备1与加热片5最小距离28mm，大于h＝10mm，无风险，进入步骤(6.6)；

(6.6)计算设备1与电缆束1的最小距离为7mm，小于h＝10mm，提示风险，进入步骤(6.7)；

(6.7)判断该元素仿真类型为无仿真，设置设备1的检查状态属性为已检查。

(7)遍历数组A中的元素，取第二个元素设备2，设备2检查状态为未检查，则：

(7.1)以设备2的R点位置(130mm,100mm)为参考点，计算设备1与其他设备的距离，最小为60mm，根据约束条件判断大于f＝5mm，无风险，则进入步骤(7.2)；

(7.2)设备2安装于舱板1上，舱板2为非安装板，判断设备2与舱板2距离119mm，无干涉，无风险，进入步骤(7.3)；

(7.3)根据设备2的R点坐标以及安装尺寸，计算出设备2的安装点坐标为：安装点1(130mm,100mm)、安装点2(130mm,149mm)、安装点3(130mm，198mm)、安装点4(265mm,100mm)、安装点5(265mm,149mm)、安装点6(265mm，198mm)，计算安装点与舱板间距最小为85mm，大于g＝15mm，无风险，进入步骤(7.4)；

(7.4)计算设备2的安装点3、安装点6与预埋热管4的最小距离为14mm，小于h＝10mm，无风险，进入步骤(7.5)；

(7.5)计算设备2与加热片6最小距离5mm，小于h＝10mm，提示风险，进入步骤(7.6)；

(7.6)计算设备2与电缆束1的最小距离为32mm，大于h＝10mm，无风险，进入步骤(7.7)；

(7.7)判断该元素仿真类型为装配仿真，星体姿态为+Z轴向上，使用工装10连接在设备2上，吊装，拆除路径为沿+Z轴垂直向上移动150mm，然后沿-X轴向左移动300mm后将设备取出，装配路径与拆除路径相反。装配路径上与其他部位无干涉，如图4所示，无风险，进入步骤(7.8)

(7.8)设置设备2的检查状态属性为已检查，遍历结束。

(8)根据上述提示的风险，按照如下方式进行优化，优化结束后，重复步骤(1)-(7)，结果为无风险提示，达到优化总体总装设计的目的。

优化方式为：设备1向+Y方向移动5mm，则设备1安装点与预埋热管3最小距离为12mm，大于h＝10mm，满足要求；设备1向+X方向移动10mm，则设备1与电缆束9的最小距离17mm，同时影响设备1与加热片5的距离，经过计算最小距离为18mm，大于h＝10mm，满足要求；设备2向-X方向移动10mm，则设备2与加热片6的最小距离15mm，大于h＝10mm，同时影响设备2与电缆束9的距离，经过计算最小距离为22mm，大于h＝10mm，满足要求；更改后，设备1、设备2的其余参数约束指标无变化，满足各项要求，达到优化总体总装设计的目的，如图5所示。

以上所述，仅为本发明的一个实例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种卫星总体总装设计风险识别方法，其特征在于该方法的步骤为：

(1)建立仪器设备布局的模型A、热控布局的模型B、结构布局的模型C、电缆网模型D；

(2)将步骤(1)中建立的仪器设备布局的模型A中仪器设备的安装信息录入到三维模型的附属信息中，并建立仪器设备的安装信息集；

(3)建立总装技术状态信息集；

(4)建立数组A，数组A中的元素为步骤(1)中模型A中的仪器设备，仪器设备的属性包括仪器设备的安装信息、总装技术状态信息、仿真类别和检查状态；

(5)建立约束条件；

(6)仿真风险分析，逐个遍历数组A中的元素，首先取第1个元素，若此元素的检查状态为未检查状态，则：

(a)计算该元素与其他仪器设备外缘之间的距离；当最小距离小于f时提示风险；

(b)判断该元素与结构布局的模型C中的舱板是否干涉，若有干涉则提示风险，若无干涉，计算该元素每个安装点与各舱板之间的距离，当最小距离小于g时，提示风险；

(c)计算该元素外缘与加热片外缘或外贴热管外缘之间的距离，若最小距离小于h，则提示风险；

计算该元素外缘与预埋热管外缘之间的距离，若最小距离小于h，则提示风险；

(d)计算该元素与电缆网的最小距离，若最小距离小于h，则提示风险；

(e)根据该元素的仿真类型，当仿真类型为人机仿真时，则进行人机仿真后判断虚拟人的操作空间包络是否与卫星其他部件发生干涉，若干涉则提示风险；并继续判断虚拟人是否对安装部位可视，即视线覆盖该元素的安装部位，若视线未覆盖(即不可视)则提示风险；

当仿真类型为装配仿真时，则需对该元素的装配路径进行仿真，并计算装配路径上是否与卫星上的其他部位发生干涉，如发生干涉，则提示风险；

当仿真类型为无仿真时，直接进入步骤(f)；

(f)设置该元素检查状态属性为已检查；

按照步骤(a)-步骤(f)，逐个遍历数组A中的其他元素，直至数组A中的元素状态均为已检查状态，遍历完成；

(7)根据步骤(6)提示的风险进行优化，重复步骤(1)-(6)，直到无风险提示为止。

2.根据权利要求1所述的一种卫星总体总装设计风险识别方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，仪器设备布局的模型A中包括若干个仪器设备；热控布局的模型B中包括热管的外形尺寸、热管的类型属性和加热片的外形尺寸，其中，热管的类型属性包括预埋热管和外贴热管；结构布局的模型C中包括舱板的外形包络尺寸和舱板的位置信息；电缆网模型D中包括电缆网外形包络尺寸和电缆网绑扎固定点位置。

3.根据权利要求1所述的一种卫星总体总装设计风险识别方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，采用MBD技术将步骤(1)中建立的模型A中仪器设备的安装信息录入到三维模型的附属信息中，以作为后续仿真分析的输入数据。

4.根据权利要求3所述的一种卫星总体总装设计风险识别方法，其特征在于：每台仪器设备的安装信息包括仪器设备的名称、仪器设备的代号、仪器设备的安装尺寸、仪器设备的安装孔数量、仪器设备的安装孔规格、仪器设备的安装参考点R点的坐标和仪器设备的外形尺寸；安装信息集是指所有仪器设备的安装信息的集合。

5.根据权利要求1所述的一种卫星总体总装设计风险识别方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，总装技术状态信息集包括步骤(1)中模型A中的仪器设备配套工装和卫星本体姿态。

6.根据权利要求5所述的一种卫星总体总装设计风险识别方法，其特征在于：仪器设备配套工装是指安装该仪器设备时所需的工装；卫星本体姿态是指安装该仪器设备时卫星本体状态。

7.根据权利要求6所述的一种卫星总体总装设计风险识别方法，其特征在于：卫星本体状态包括卫星本体的+Z轴向上的状态、卫星本体的+X轴向上的状态、卫星本体的+Y轴向上的状态、卫星本体的-X轴向上的状态、卫星本体的-Y轴向上的状态。

8.根据权利要求1所述的一种卫星总体总装设计风险识别方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，仿真类别包括无仿真、装配仿真和人机仿真；检查状态分为已经检查状态和未检查状态。

9.根据权利要求1所述的一种卫星总体总装设计风险识别方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，约束条件包括：仪器设备之间的距离不小于f、仪器设备与电缆网之间的距离不小于h、仪器设备与舱板无干涉、仪器设备的安装点与非安装板间距不小于g、仪器设备的外缘与外贴热管外缘的距离不小于h、仪器设备的外缘与加热片外缘的距离不小于h、仪器设备的安装参考点R点与预埋热管边缘距离不小于h、仪器设备装配路径中具有人员操作的空间、仪器设备安装位置可见、仪器设备装配路径上与星体的其他部位不发生干涉。

10.根据权利要求9所述的一种卫星总体总装设计风险识别方法，其特征在于：所述的f的取值范围为5mm～10mm，g的取值范围为15mm～20mm，h的取值范围为10mm～15mm。