基于DELMIA的助推器分离试验流程仿真研究

引言

运载火箭的助推分离是一个复杂的过程,涉及多门学科理论及随机因素[1-3]。在新型运载火箭的助推器分离试验中,由于试验件体积大、质量重,产品摆放位置的规划和工位尺寸的设计、产品的进出流程、工位和产品安装时干涉问题的检查等因素都会影响到分离试验方案的制定。这时,就需要有一套分析方法在试验前对整个试验流程进行仿真模拟。

数字化装配工艺设计与过程仿真技术在现代航天部门的设计和制造中扮演的角色将越来越重要。在大型的助推器分离试验前,能通过电脑软件将整个试验过程形象、逼真、直观地表现出来,同时针对试验中场地工位的搭建、产品之间对接安装中可能出现的干涉问题进行相关的分析与评价并提出设计修改建议,这有效加快了试验进度,有利于确保试验的顺利进行。

本文采用DELMIA软件来对助推器分离试验进行流程仿真。

1DELMIA软件简介与仿真流程

DELMIA(Digita1EnterpriseLeanManu-facturingInteractiveApp1ication,数字企业精益制造交互式应用)[4]是法国达索公司的产品。DELMIA分为3个部分,分别为DPE(DELMIAProcessEngineer,工艺工程师)、DPM(Digita1ProcessofManufacturing,数字化制造工艺)和DELMIA/OUEsT(OueuingEventsimu1ationToo1,数字化工厂及离散事件仿真工具)。这3个相对独立的部分可以通过DELMIA的结构核心PPR(Process-Product-Resource)Hub连接到一起,一般常规操作是通过DPE来制定制造工艺和资源规划,通过DPM和DELMIA/OUEsT进行仿真,数据传输通过PPRHub来完成。

DELMIA数字化仿真软件是一个面向设计、制造、维护、人机过程的"数字化工厂"仿真平台,与CATIA软件互为补充,应用涵盖了航空、航天、汽车和船舶等几乎所有机械产品的数字化制造。

DELMIA在助推器分离试验中的流程仿真,是以助推器分离任务为仿真对象,在建立箭体模型、厂房和辅助工装的基础上,将整个试验过程通过视频动画的形式表现出来,同时对仿真过程中获取到的各种信息进行相关的可行性分析与评价,并提出修改建议。其仿真的一般流程如图1所示。

2虚拟场景的构建

虚拟场景的构建是为虚拟安装过程仿真及干涉分析与检查建立的一个近似现实的虚拟空间,它应以真实的试验现场为参考,并满足逼真性、交互性等基本要求。虚拟场景由模型装配而成,装配模型是进行流程仿真规划研究的基础与前提,从虚拟制造和虚拟装配的观点来看,装配模型应该是一种集成化的信息模型,原则上支持面向全生命周期产品设计过程中与装配有关的所有活动和过程,包括产品定义、生产规划和过程仿真中与装配相关的各个子过程。

助推器分离试验虚拟场景主要由箭体模型、辅助工装模型和环境模型等组成,如图2所示。

图2  某助推器分离试验虚拟场景

箭体和辅助工装三维模型的建立是整个流程仿真的基础,也是影响后期动画制作效果的重要因素。在某型运载火箭助推器分离试验中箭体模型包括芯级模型和助推模型,仿真模型是从指定模型下载平台上下载的,下载的Pro-E模型需要进行格式转换、多余面的删除、尺寸的修改等,以得到所需模型。表1列出了助推器分离试验时所用的箭体模型明细。辅助工装的三维模型都是以试验设计方案为支撑,采用真实的试验工位尺寸在DELMIA软件的MechanicalDesign模块中建立的。

3流程仿真路径规划

流程的路径是零部件在虚拟装配空间中的运动轨迹。进行流程仿真路径规划,目的是实现无碰撞、无干涉装配,起到保护零件和更快捷、更有效装配的作用。因此,无论是对人工装配,还是对机械的自动化装配、柔性装配或机器人装配,都需要进行装配路径规划。

流程仿真的规划是整个流程仿真工作的核心,在详细了解试验流程后,对整个流程进行全面的分析,包括初始状态分析、各运动部件的分析、运动状态的分析、运动顺序的分析等,建立多级流程库,确定各零部件的初始状态以及整个仿真流程的详细过程,并明确需在运动机构模块中建立的运动机构。

例如某助推器分离试验,在试验实施过程中,由于新一代助推器的长度和直径都要比以往的大很多,为了解决试验场地空间的局限,助推器翻转以及与芯级的对接过程中可能遇到的问题,在DELMIA中模拟助推器的运输直到助推器与芯级对接这个过程,成为整个仿真的重点。根据试验方案的要求对整个试验流程进行梳理,建立流程库。流程库中包含多级流程、多个节点,在对应的节点下制作对应的流程,这样便于管理,也便于后期对流程进行修改。在DELMIA中建立助推器对接过程流程库,如图3所示。

图3流程库

在对应的流程库节点下制作流程时,还需要在PERT图中定义流程的顺序,这样才能保证流程的正常运行。哪些步骤是顺序进行的,哪些步骤是并行进行的,都需要在PERT图中定义。PERT图如果定义错误,会导致模型因为找不到上一步的定位点,而进行不可预测的运动。因此,PERT图的管理在制作DELMIA流程中非常关键,如图4所示。

4流程仿真的干涉检查

三维数字化装配过程仿真是产品实物在实施装配以前对装配工艺进行验证的最佳方法[5],其具有时间短、费用低的优点。依据设计好的装配工艺流程对产品装配过程和拆卸过程进行三维动态仿真,可以验证每个模型按方案设计的工艺顺序是否能无阻碍地装配,以发现工艺设计过程中装配顺序设计的错误。

DELMIA软件可对尺寸进行精确的控制和测量,而这正是一些其他商业动画软件所不具备的。这样可以对芯级对接部位、精确装配的部位进行精细控制,预防干涉的发生。通过某型号运载火箭助推器工艺装配仿真,即发现了会存在于工装与工装之间、芯级模型和助推模型之间及工装与芯级之间的干涉问题,其中芯级和助推器对接处和固定龙门架的搭建出现了干涉,如图5所示。与设计人员沟通后,及时得到了修正,解决了干涉问题。

整个装配过程流程仿真经验证无误后,可以按照需要调整视角,将其录制成视频文件,用于指导试验。

5总结与展望

DELMIA数字化仿真软件应用在运载火箭助推器分离试验中意义十分重大,本文通过DELMIA软件对分离试验的流程制作仿真动画,按照方案的设计直观、形象地表现出整个分离试验过程。在虚拟安装过程中,对工位与工位之间、芯级与助推器之间可能出现的干涉问题进行排查,及时发现问题,解决问题,对试验方案的制定和工作的展开起到了有效的指导作用。

在某运载火箭助推器分离试验流程仿真中,三维建模和流程规划是仿真工作的重点,机构运动中模型翻转动作的动画表现则是技术难点。随着航天部门大运载试验数量不断增多,规模逐渐加大,试验条件越来越严酷,DELMIA软件中人机工程技术的普遍应用将成为必然趋势。DELMIA软件在助推器分离试验中的应用是一个有着广阔前景的研究领域。