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高马赫数飞行器结构系统多学科高效协同研发环境开发

苏瑞意杜亚雄刘晓宇刘剑

摘要:高马赫数飞行器结构系统设计涉及多个部门、多个专业,协同研发需求迫切。基于达

索3DE平台,开发了高马赫数飞行器结构系统协同研发环境,包含结构总体、结构综合、

强度设计、防热设计、分离设计等模块,具有任务/流程协同设计、数据协同设计和性能协

同设计能力,实现了以结构三维模型为基础的系统工程的软件表达。初步试用表明产品质量

和研发效率均有大幅提升。

关键词:飞行器结构协同研发

0引言

高马赫数飞行器一般指在大气层内飞行速度超过5Ma的飞行器,比如临近空间高超音

速导弹、再入大气层的洲际弹头、航天飞机等。本文所称的结构系统主要是指除飞行器内部

设备之外的部分,包括热防护结构、承载结构、连接与分离结构等。图1给出俄罗斯SS-18

撒旦导弹的结构分布图。

图1俄罗斯SS18撒旦导弹

高马赫数飞行器结构系统的主要作用包括维持飞行器的外形、提供设备安装空间、提供

足够的刚度强度以承受飞行载荷、保护内部设备不被高温气体烧毁等等,其主要特点是重量

轻、耐高温、高强度、高刚度、耐冲击等。图2是美国HTV2临近空间高超声速飞行器飞

行过程假想图。

图2美国HTV2飞行假想图

不同于一般的结构系统,高马赫飞行器在大气层内飞行时,其外表面温度可达2000℃

以上,而内部设备允许的工作温度一般不超过100℃,因此需要在很薄的一个厚度内将温度

降低至设备允许的工作温度。同时,还需要在高速飞行过程中的高温、振动、压力、过载等

作用下维持一个良好的外形,以确保飞行的稳定。高马赫数飞行器结构系统组成十分复杂,

其研发过程涉及多个部门、多家单位,对轻量化、可靠性等要求很高。因此,高马赫数飞行

器结构系统设计是一项复杂的工程,对高效协同设计需求很迫切。传统上采用的是基于文件

的协同模式,三维信息二维化,存在信息降维的问题,表达不直观、信息容易缺落、反馈慢,

已经不能满足当前的要求。

1结构系统协同设计需求分析

1.1设计流程的协同

根据业务分工,将结构系统设计分为结构总体设计、结构综合设计、结构强度设计、结

构防热设计和分离设计等。各个小组完成结构设计不同方面的工作,设计流程如图3所示。

在设计流程中,上游人员需要将任务、要求明确传递给下游人员,下游人员需要及时将设计

结果或者问题反馈给上游。通过上下游不同专业之间的协同工作,最终完成产品设计。

图3结构系统设计流程示意

1.2数据的协同

在设计过程中,流程决定了任务的分配形式,但是数据决定了设计的及时性和准确性。

产品的研制过程就是数据不断完善的过程。在结构的设计过程,涉及的数据类型有CAD数

模、参数和文件,其关联关系如图4所示。由CAD设计师初步确定参数,由参数来驱动流

程,由流程来产生文件。设计师需要和工艺、仿真设计师进行协同设计,以确保产品性能满

足要求。

图4数据协同关系图

1.3多专业的协同

高马赫数飞行器结构系统需要同时满足理论外形、设备安装、质量质心、刚度、强度、

防热、冲击、振动等方面的要求,是一个多专业协同的设计过程。设计时需要开展多个专业

的设计与仿真,而各个专业所采用的工具是不同的,对应的模型与数据结构也不同,因此需

要对此进行开发和集成。表1给出了需要集成的不同专业的软件工具情况。

表1需要集成的工具列表

序号软件名称规格型号

13D建模软件PTCCreo

2有限元前处理软件Patran

3有限元求解器Nastran

4有限元建模环境HyperWorks

5结构有限元分析软件Abaqus6.14

6热分析软件CFX

7瞬态动力学分软件Dytran

8显式动力学分析软件Ls-Dyna

9多刚体动力学分析软件Adams

10非参优化软件Tosca

11复合材料优化软件Hypersizer

12多学科优化Isight

13热设计软件自研程序

2高效协同研发环境总体方案

2.1系统功能组成

结构多学科协同研发平台是以基于结构三维模型的系统工程的软件实现,以对设计流程

的标准化和设计数据的协同管理为基础,以实现结构多专业小组之间的协同研发为目标,通

过统一的多专业研发任务管理、标准化的设计仿真流程调用、研发数据的集中管理、各个专

业用户界面定制开发、应用系统的集成来提高结构室产品设计水平与质量。结构多学科协同

研发环境基于达索3DE平台进行开发,功能分为五层,分别是展示层、应用层、功能层、

数据层和基础层。

图5功能组成

2.2与其他系统的关系

高马赫飞行器的研发非常复杂,目前已经建成了若干信息化管理和支持系统,包括

PDM、TDM和高算中心等。结构系统

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