CN110245405B - 基于siemens nx的运载火箭自顶向下建模方法及火箭建模结构 - Google Patents

基于siemens nx的运载火箭自顶向下建模方法及火箭建模结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法及火箭建模结构，主要分四步，包括：建立运载火箭的全箭坐标系；根据所述全箭坐标系和火箭各子级的长度，建立火箭各子级的坐标系；根据各子级的坐标系及各子级中舱段的长度，建立各舱段的坐标系；在火箭各子级内各舱段的坐标系的约束下、生成各舱段模型及在对应位置生成各舱段内的零部件模型，以形成运载火箭的模型。同现有技术相比，该发明思路清晰，且与运载火箭研制的多次迭代的情况相适应，方便更改，在运载火箭设计阶段可进行大规模的工程应用，实用性强，同时提供工作效率。

Description

基于SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法及火箭建模 结构
技术领域
本发明涉及液体火箭结构设计技术领域，特别涉及一种基于SIEMENS NX 的运载火箭自顶向下建模方法及火箭建模结构。
背景技术
航天器是人类探索宇宙，了解外太空的有效手段，航天器通常包括人造卫星、载人飞船、空间站或行星际探测器等。作为将航天器顺利运送到太空的主要手段，运载火箭(rocket launcher)一般包括若干子级，其结构复杂，且各结构及参数之间存在较强的约束性。
在运载火箭的研制阶段，箭体结构参数，包括不同子级的飞行分离面、运输分离面、各不同舱段之间的工艺对接面等，均会存在多轮次的迭代。亟需开发一种与火箭研制特点相匹配的火箭建模方法，从而提高火箭建模效率，改善建模过程的适应性，缩短火箭研制进程。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法及火箭建模结构，该发明思路清晰，适用于运载火箭的研制阶段的自顶向下建模，且与运载火箭研制的多次迭代的情况相适应，方便更改，在运载火箭设计阶段可进行大规模的工程应用，实用性强，同时提供工作效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法，建立运载火箭的全箭坐标系；根据所述全箭坐标系和火箭各子级的长度，建立火箭各子级的坐标系；根据各子级的坐标系及各子级中舱段的长度，建立各舱段的坐标系；在火箭各子级内各舱段的坐标系的约束下、生成各舱段模型及在对应位置生成各舱段内的零部件模型，以形成运载火箭的模型。
优选的，所述建立运载火箭的全箭坐标系包括：以所述运载火箭的箭体尾端面与箭体轴线交点为全箭坐标系的坐标原点，以箭体轴线指向箭体飞行方向为x轴正方向，以所述坐标原点指向第III象限线为y轴正方向，并根据右手直角坐标系确定z轴及其正方向，建立全箭坐标系O-xyz。
优选的，运载火箭的一子级坐标系与所述全箭坐标系重合，其余各子级坐标系以各分离面与箭体轴线的交点作为该子级坐标系的原点，且所述其余各子级坐标系的原点的X轴坐标为(L,0,0)，其中L为相应子级与上一子级之间分离面距所述全箭坐标系的坐标原点之间的距离。
优选的，按照子级、子级下的舱段及舱段下的各零件的约束关系建立层级关系，使所述层级关系中的各零部件关联相应的坐标系，以建立坐标系对相应零部件的约束关系。
优选的，在对应坐标系中形成各子级零部件的模型，以形成运载火箭的全箭模型。
优选的，采用SIEMENS NX软件进行运载火箭的建模，且建模过程包括：
新建全箭图号的文件“0XX0-0.prt”，点击确定后进入该零件，在部件导航器中形成一个基准坐标系；在所述基准坐标系的约束下，分别建立各子级的坐标系；进行全箭图号分配，其中各子级、舱段、零部件在“0XX0-0.prt”文件下按层级关系分布；在各子级坐标系的约束下，建立各子级下不同舱段的坐标系；在不同舱段坐标系的约束下，生成舱段模型及该舱段内的零部件模型，从而各零部件模型构成各个舱段模型，各个舱段模型拼接成各子级模型，且各子级模型拼接为全箭模型。
优选的，进行全箭图号分配包括：建立子级图号及彼此之间的关联关系：进入0XX0-0.prt，并打开装配导航器，将鼠标放置在装配模型树中的“0XX0-0”右击，选择“WAVE→新建层”创建子级图号及保存目录，并在“类选择”中引用“0XX0-0”中建立的子级坐标系，子级零件的坐标系为读取的全箭图“0XX0-0”中对应的坐标系，最终完成子级目录零件的建立；其中子级图号从全箭尾端开始依次为“1XX0-0”，“2XX0-0”，“3XX0-0”┄，首位数字1、 2、3┄代表各子级。
优选的，所述在各子级坐标系的约束下，建立各子级下不同舱段的坐标系包括：在装配导航器中，在不同子级的图号上右击，选择“设为显示部件”以进入该子级，进入该子级后，在该子级的装配导航器中可以看到由全箭图“0XX0-0”中链接进入该子级的坐标系，以该子级为参考，建立基准坐标系的时候其类型选择“动态”，根据该子级的坐标原点位置，建立该子级内各个舱段的坐标系。
优选的，所述在各子级坐标系的约束下，建立各子级下不同舱段的坐标系之后还包括：使各子级的装配浏览图中的子级各个部段的图号关联子级的部件导航器中建立的各自的坐标系，最终完成子级零件目录的建立。
优选的，所述在不同舱段坐标系的约束下，生成舱段模型及舱段内的零部件模型，从而各零部件模型构成各个舱段模型，各个舱段模型拼接成各子级模型，且各子级模型拼接为全箭模型包括：根据各个舱段的坐标系，各自打开模型树中的相应目录，对各个模型继续使用“WAVE→新建层”的方式命名下级零组件的图号，并建立模型的层级关系，根据预先设计的各舱段相应的尺寸和环境载荷要求，对该型号的各个舱段、舱段内部各个零部件进行建模。
本实施方式还提供一种火箭建模结构，采用以上任意一项基于基于 SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法获得。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在运载火箭研制阶段先确定各个大结构的彼此关联和约束关系，再对各层级关系进行逐步细化，最终延伸到每个零件的结构形状，这种自顶向下的建模方式对结构迭代和快速调整均具有较强的适应性，实用性强，通过程清晰，各零组件之间状态明确，约束清楚，可有效提高建模的工作效率，并对结构也能迅速做出适应性调整。
附图说明
图1为本发明基于SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法的流程图；
图1A为本发明火箭沿中轴线半剖面结构示意图；
图2为本发明新建全箭图号文件的示意图；
图3为本发明建立各子级坐标系的示意图；
图4为本发明创建子级层级的示意图；
图5为本发明创建子级图号及保存路径的示意图；
图6为本发明完成子级目录零件建立的示意图；
图7为本发明将子级零件设置为显示步骤的示意图；
图8为本发明子级零件内部状态，其部件导航器中已经包含了应用自全箭总图中坐标系的示意图；
图9为本发明一子级零件内部各个舱段参考坐标系建设完成后的状态的示意图；
图10为本发明建立各子级内部零件目录的创建及其与子级零件之间的关联关系建立的示意图；
图11为本发明尾段建模的示意图；
图12为本发明一子级建模完成的示意图；
图13为本发明全箭建模完成后状态的示意图；
图14为本发明全箭剖视图的示意图。
附图标记说明：
1一级发动机 2尾段
3过渡段 4一级燃烧剂箱
5一级箱间段 6一级氧化剂箱
7二级发动机 8二级共底贮箱
9仪器舱 10支撑架
11整流罩 12卫星
13级间段
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。
某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。
本发明的实施例提供了一种基于运载火箭自顶向下的建模方法，如图1所示，建模方法包括：
建立运载火箭的全箭坐标系；
根据所述全箭坐标系和火箭各子级的长度，建立火箭各子级的坐标系；
根据各子级的坐标系及各子级中舱段的长度，建立各舱段的坐标系；
在火箭各子级内各舱段的坐标系的约束下、生成各舱段模型及在对应位置生成各舱段内的零部件模型，以形成运载火箭的模型。
具体的说：在运载火箭研制阶段先确定各个大结构的彼此关联和约束关系，再对各层级关系进行逐步细化，最终延伸到每个零件的结构形状，这种自顶向下的建模方式对结构迭代和快速调整均具有较强的适应性，实用性强，通过程清晰，各零组件之间状态明确，约束清楚，可有效提高建模的工作效率，并对结构也能迅速做出适应性调整。
在本实施方式中，所述建立运载火箭的全箭坐标系包括：以所述运载火箭的箭体尾端面与箭体轴线交点为全箭坐标系的坐标原点，以箭体轴线指向箭体飞行方向为x轴正方向，以所述坐标原点指向第III象限线为y轴正方向，并根据右手直角坐标系确定z轴及其正方向，建立全箭坐标系O-xyz。
需要说明的是，运载火箭的一子级坐标系与所述全箭坐标系重合，其余各子级坐标系以各分离面与箭体轴线的交点作为该子级坐标系的原点，且所述其余各子级坐标系的原点的X轴坐标为(L,0,0)，其中L为相应子级与上一子级之间分离面距所述全箭坐标系的坐标原点之间的距离。如图1A所示，以二级液体运载火箭为例，全箭长度L，一子级长度L1，二子级长度L2，星罩组合体长度L3。全箭坐标系根据第二步确定后，建立一子级箭体坐标系O-x1y1z1与全箭坐标系相同，即其坐标原点在全箭坐标系中的原点位置，位置坐标为 (0,0,0)；建立二子级箭体坐标系O-x2y2z2选择级间分离面的位置，即其坐标原点在全箭坐标系中的位置坐标为(L1,0,0),星罩组合体坐标系O-x’y’z’选择整流罩分离面的位置，即其坐标原点在全箭坐标系中的位置坐标为(L1+L2,0,0)。各子级分别在此基础上进行建模，其坐标系作为约束要求。
值得一提的是，按照子级、子级下的舱段及舱段下的各零件的约束关系建立层级关系，使所述层级关系中的各零部件关联相应的坐标系，以建立坐标系对相应零部件的约束关系。
此外，在对应坐标系中形成各子级零部件的模型，以形成运载火箭的全箭模型。
具体的说，采用SIEMENS NX软件进行运载火箭的建模，为了使以具体 SIEMENS NX软件利用本发明的建模方法的建模过程更清楚，以下结合附图建模过程进行具体描述。本领域技术人员可知，在没有建模附图的情况下，按照如下文字描述，本领域技术人员仍可以执行建模过程。建模过程包括：新建全箭图号的文件“0XX0-0.prt”，如图2所示，点击确定后进入该零件，在部件导航器中形成一个基准坐标系；在所述基准坐标系的约束下，如图3所示，分别建立各子级的坐标系；进行全箭图号分配。参照表1所示，其中各子级、舱段、零部件在“0XX0-0.prt”文件下按层级关系分布。在各子级坐标系的约束下，建立各子级下不同舱段的坐标系。在不同舱段坐标系的约束下，生成舱段模型及该舱段内的零部件模型，从而各零部件模型构成各个舱段模型，各个舱段模型拼接成各子级模型，且各子级模型拼接为全箭模型。值得一提的是，如图2所示，该零件模型包含定义名称，类型，单位，装配方式，外观造型设计，NX钣金，逻辑布线，机械布线和电器布线，修改时间等；
特别需要说明的是，进行全箭图号分配包括：建立子级图号及彼此之间的关联关系：进入0XX0-0.prt，并打开装配导航器，将鼠标放置在装配模型树中的“0XX0-0”右击，选择“WAVE→新建层”创建子级图号及保存目录，并在“类选择”中引用“0XX0-0”中建立的子级坐标系，子级零件的坐标系为读取的全箭图“0XX0-0”中对应的坐标系，最终完成子级目录零件的建立。其中子级图号从全箭尾端开始依次为“1XX0-0”，“2XX0-0”，“3XX0-0”┄，首位数字1、2、3┄代表各子级。具体实施方法，如表1和图1A所示：全箭图号分配。根据型号的管理规定确定给出既定型号的各部段(细化至各子级的图号和各子级所包含的图号)假设全箭总图为0XX0-0，一子级图号为 1XX0-0，二子级图号为2XX0-0(对于存在三子级的情况，设定三子级的图号为3XX0-0……以此类推)，星箭组合体图号为0XX1-0，并对每个子级所包含的各舱段部段分配图号,L11,L12,L13,L14,L15和 L16为一子级各舱段的长度，L21和L22为二子级各舱段的长度，L31为整流罩分离面与载荷分离面之间的长度。
表1暂定某型号各舱段图号分配
Figure BDA0002083589850000081
Figure BDA0002083589850000091
另外，所述在各子级坐标系的约束下，建立各子级下不同舱段的坐标系包括：在装配导航器中，在不同子级的图号上右击，如图7所示，选择“设为显示部件”以进入该子级。进入该子级后，如图8所示，在该子级的装配导航器中可以看到由全箭图“0XX0-0”中链接进入该子级的坐标系，以该子级为参考，建立基准坐标系的时候其类型选择“动态”。如图9所示，根据该子级的坐标原点位置，建立该子级内各个舱段的坐标系。
进一步说明的是，如图4、图5和图6所示，所述在各子级坐标系的约束下，建立各子级下不同舱段的坐标系之后还包括：使各子级的装配浏览图中的子级各个部段的图号关联子级的部件导航器中建立的各自的坐标系，如图10所示，最终完成子级零件目录的建立。
特别的需要说明的是，所述在不同舱段坐标系的约束下，生成舱段模型及舱段内的零部件模型，从而各零部件模型构成各个舱段模型，各个舱段模型拼接成各子级模型，且各子级模型拼接为全箭模型包括。根据各个舱段的坐标系，各自打开模型树中的相应目录，对各个模型继续使用“WAVE→新建层”的方式命名下级零组件的图号，并建立模型的层级关系。根据预先设计的各舱段相应的尺寸和环境载荷要求，如图11，图12，图13和图14所示，对该型号的各个舱段、舱段内部各个零部件进行建模。
本实施方式还提供一种火箭建模结构，采用以上任意一项基于基于 SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法获得。
需要说明的是，如图1A所示，一子级包含：一级发动机1，尾段2，过渡段3，一级燃烧剂箱4，一级箱间段5，一级氧化剂箱6，级间段13，尾端 2两端分别连接一级发动机1和过渡段3，一级燃烧剂箱4一端连接过渡段3，一级箱间段5分别连接,一级燃烧剂箱4和一级氧化剂箱5。一级氧化剂箱6 另一端连接级间段13，二子级包含二级发动机7，二级共底贮箱8，仪器舱9，二级共底贮箱8两端分别连接二级发动机7和仪器舱9；星罩组合体包含整流罩11，支撑架10和卫星12，支撑架10一端与卫星12连接，支撑架10和卫星12位于整流罩内部。
本发明适用于运载火箭的研制阶段的自顶向下建模，且与运载火箭研制的多次迭代的情况相适应，在运载火箭设计阶段可进行大规模的工程应用。且该建模思路和实施方法，具有通用性，在运载火箭、导弹武器、其它航天飞行器的设计阶段均具有普遍的应用前景，建模思路的实施除SIEMENS NX平台外，在其余各三维软件上也可实现类似的实施方法。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法，其特征在于：
建立运载火箭的全箭坐标系；
根据所述全箭坐标系和火箭各子级的长度，建立火箭各子级的坐标系；
根据各子级的坐标系及各子级中舱段的长度，建立各舱段的坐标系；
在火箭各子级内各舱段的坐标系的约束下、生成各舱段模型及在对应位置生成各舱段内的零部件模型，以形成运载火箭的模型；
所述建模方法采用SIEMENS NX软件进行运载火箭的建模，且建模过程包括：
新建全箭图号的文件“0XX0-0.prt”，点击确定后进入该文件，在部件导航器中形成一个基准坐标系；
在所述基准坐标系的约束下，分别建立各子级的坐标系；
进行全箭图号分配，其中各子级、舱段、零部件在“0XX0-0.prt”文件下按层级关系分布；
在各子级坐标系的约束下，建立各子级下不同舱段的坐标系；
在不同舱段坐标系的约束下，生成舱段模型及该舱段内的零部件模型，从而各零部件模型构成各个舱段模型，各个舱段模型拼接成各子级模型，且各子级模型拼接为全箭模型。
2.根据权利要求1所述的基于SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法，其特征在于：所述建立运载火箭的全箭坐标系包括：以所述运载火箭的箭体尾端面与箭体轴线交点为全箭坐标系的坐标原点，以箭体轴线指向箭体飞行方向为x轴正方向，以所述坐标原点指向第III象限线为y轴正方向，并根据右手直角坐标系确定z轴及其正方向，建立全箭坐标系O-xyz。
3.据权利要求2所述的基于SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法，其特征在于：运载火箭的一子级坐标系与所述全箭坐标系重合，其余各子级坐标系以各分离面与箭体轴线的交点作为该子级坐标系的原点，且所述其余各子级坐标系的原点的X轴坐标为(L,0,0)，其中L为相应子级与上一子级之间分离面距所述全箭坐标系的坐标原点之间的距离。
4.据权利要求1所述的基于SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法，其特征在于：按照子级、子级下的舱段及舱段下的各零件的约束关系建立层级关系，使所述层级关系中的各零部件关联相应的坐标系，以建立坐标系对相应零部件的约束关系。
5.据权利要求4所述的基于SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法，其特征在于：在对应坐标系中形成各子级零部件的模型，以形成运载火箭的全箭模型。
6.根据权利要求1所述的基于SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法，其特征在于：进行全箭图号分配包括：建立子级图号及彼此之间的关联关系：进入0XX0-0.prt，并打开装配导航器，将鼠标放置在装配模型树中的“0XX0-0”右击，选择“WAVE→新建层”创建子级图号及保存目录，并在“类选择”中引用“0XX0-0”中建立的子级坐标系，子级零件的坐标系为引用的全箭图“0XX0-0”中对应的坐标系，最终完成子级目录零件的建立；
其中子级图号从全箭尾端开始依次为“1XX0-0”，“2XX0-0”，“3XX0-0”┄，首位数字1、2、3┄代表各子级。
7.根据权利要求1所述的基于SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法，其特征在于：
所述在各子级坐标系的约束下，建立各子级下不同舱段的坐标系包括：在装配导航器中，在不同子级的图号上右击，选择“设为显示部件”以进入该子级，进入该子级后，在该子级的装配导航器中可以看到由全箭图“0XX0-0”中链接进入该子级的坐标系，以该子级为参考，建立基准坐标系的时候其类型选择“动态”，根据该子级的坐标原点位置，建立该子级内各个舱段的坐标系。
8.根据权利要求7所述的基于SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法，其特征在于：所述在各子级坐标系的约束下，建立各子级下不同舱段的坐标系之后还包括：
使各子级的装配浏览图中的子级各个部段的图号关联子级的部件导航器中建立的各自的坐标系，最终完成子级零件目录的建立。
9.根据权利要求6所述的基于SIEMENS NX的运载火箭自顶向下建模方法，其特征在于：所述在不同舱段坐标系的约束下，生成舱段模型及舱段内的零部件模型，从而各零部件模型构成各个舱段模型，各个舱段模型拼接成各子级模型，且各子级模型拼接为全箭模型包括：
根据各个舱段的坐标系，各自打开模型树中的相应目录，对各个模型继续使用“WAVE→新建层”的方式命名下级零组件的图号，并建立模型的层级关系，根据预先设计的各舱段相应的尺寸和环境载荷要求，对该全箭模型的各个舱段、舱段内部各个零部件进行建模。
10.一种火箭建模结构，其特征在于：采用如权利要求1-9任意一项所述的基于SIEMENSNX的运载火箭自顶向下建模方法获得。
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