一种航天器热控产品的三维快速建模方法与流程

本发明属于航天器热控系统技术领域，涉及一种航天器热控产品的三维快速建模方法。

背景技术：

基于三维模型的数字化设计已在国内应用近20余年，目前航天器结构部组件已实现全三维的数字化设计，应用现有的主流三维设计软件设计航天器热控产品操作复杂、工作量大，仍以二维设计为主，基于pro/e的三维快速设计方面尚未见诸报道。

航天遥感器作为航天器的载荷子系统，由于其实现的功能性能等指标要求，结构外形较复杂，加热器多安装于比较关键的结构表面，由于这些表面多为曲面、空间布局复杂，且加热器的种类多、规模大，虽然pro/e标准功能可以实现加热器曲面装配，但操作过于繁琐、效率低下；此外，热控回路设计、回路阻值计算不能在pro/e中表达，因此遥感器热控产品设计仍使用传统的二维出图方式。这一定程度上限制了遥感器热控产品的研制效率，对遥感器整机的研制周期带来一定程度的影响，随着遥感器产品复杂度越来越高、研制周期越来越短的要求，热控产品的全三维设计技术势在必行。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种航天器热控产品的三维快速建模方法,实现依据模板快速生成各类几何外形的加热器模型并自动装配到各类结构表面，实现基于模型的热控回路设计、阻值功率自动计算，快速建立热控产品的全息模型，解决遥感器热控产品三维建模操作复杂、效率低下、准确性不高的问题，提高热控产品设计的综合效率。

本发明解决技术的方案是：

一种航天器热控产品的三维快速建模方法，具体步骤包括：

(1)建立航天器结构模型，将结构模型进行收缩包络处理，形成结构收缩包络模型，结构收缩包络模型表面几何形状包括平面、柱面和穹顶面；

(2)创建航天器热控装配空模型，建立热控骨架模型，将结构收缩包络模型以缺省方式装配到热控装配空模型中，形成初步的热控装配模型；

(3)根据结构收缩包络模型表面几何形状，建立平面、柱面、锥面三种形式加热器模板，在每种模板下，将尺寸变量设置为可变参数；以安装面中心位置为坐标原点，建立x、y轴位于安装面，z轴垂直安装面的坐标系；

(4)选择加热器模板，设置尺寸变量，生成不同几何外形的加热器中间模型；在加热器中间模型侧平面建立主备份引线坐标系，其中z轴指向引线方向，在所创建的引线坐标系位置批量绘制长曲线段，垂直于侧平面并与z轴重合；

(5)在初步的热控装配模型下，选择不同结构表面，获取所选结构表面几何信息，如果结构表面为平面，在装配位置，创建x、y轴在结构表面上，z轴垂直结构表面的坐标系，在平面上利用坐标系重合装配方式自动装配加热器；

如果结构表面为柱面或锥面，获得装配位置到中心轴的距离s以及结构表面与中心轴的夹角θ，将s和θ值分别赋给ly_bendr和ly_bendwa两个参数，并设置加热器在结构表面的旋转角度a，生成与结构表面曲率相同的实体加热器，同时在装配位置创建坐标系，其中x、y轴在结构表面上，z轴垂直结构表面，在柱面或锥面上利用坐标系重合装配方式自动装配加热器。

(6)重复步骤(3)～(5)直至完成所有加热器模型创建与装配；

(7)在初步热控装配模型下，依次选择回路中应包含的加热器模型，确定串并联关系，以骨架模型方式创建回路骨架模型，将回路中包含的加热器及串并联关系记录在回路骨架模型中；

(8)根据热控整体模型的编号要求，对于几何形状、引线位置、阻值和功率、喷漆要求都相同的加热器分配一个模型名称，批量修改加热器模型名称，设置加热器图号，将其写入加热器模型参数中，完成热控装配模型及加热器模型的创建。

优选的，所述步骤(1)、(2)分别构建航天器结构模型，形成结构收缩包络模型，建立热控装配空模型，并装结构收缩包络模型。

优选的，所述步骤(3)中，对于柱面、锥面的曲面加热器模板，采用旋转、展平、拉伸切削、折弯四种建模特征相结合的方式，实现曲面加热器的参数化建模。

优选的，所述步骤(4)-(6)，利用参数化建模，修改加热器模板尺寸变量，创建加热器模型；且自动识别安装面的几何尺寸，驱动加热器弧度调整，采用坐标系装配方法，通过自动在所选位置建立安装坐标系，实现加热器自适应安装面的完全贴合装配。

优选的，所述步骤(7)、(8)，以骨架模型方式自动创建回路骨架模型，自动计算加热器阻值、功率，按照热控装配模型命名规则，自动给加热器分配模型编号及图号，建立热控产品的全息模型。

优选的，结构收缩包络模型表面几何形状包括平面、柱面和穹顶面。

优选的，所述平面形式加热器直接建立横截面为三角形、平行四边形、梯形、圆形、扇形的五类加热器模板，其厚度均为参数h。

优选的，在每个模板正中心建立安装坐标系，z轴垂直安装表面；设置三角形模板尺寸变量包括两边l1、l2及夹角θ1，设置平行四边形模板尺寸变量包括相邻两边l、w及夹角θ2，设置梯形模板尺寸变量包括l3、l4、l5及l3和l4之间的夹角θ3，设置圆形模板尺寸变量为半径r，设置扇形模板尺寸变量为半径r1、r2及顶角θ4。

优选的，建立柱面和锥面形式加热器模板方法为：

建立一条草绘线段，生成359°旋转曲面作为加热器原型模板，在草绘线段中点处建立安装点及安装坐标系，z轴垂直安装表面，安装点到旋转轴距离为s，草绘线段与旋转轴夹角为-θ，加热器曲面与旋转轴夹角为a；

定义模型特定尺寸和参数关系：s＝ly_bendr，θ＝ly_bendwa，对于柱面形式θ＝0，a＝ly_bendra,其中参数ly_bendr为安装点旋转半径，ly_bendwa为草绘线段与旋转轴夹角,ly_bendra为加热器旋转角度；

以安装坐标系为基准点，展平原型模板，在展平面以安装坐标系为中心基准，建立三角形、平行四边形、梯形、圆形、扇形五类几何形状模板，各类模板设置的尺寸变量与平面形式加热器一致，加热器最长边不超过旋转线段长度，利用实体折弯按原型模板的ly_bendr和ly_bendwa参数驱动生成用于柱面或锥面的加热器模板。

优选的，步骤(7)中，给定回路电压u和回路功率p，利用r＝(u*u)/p、rn＝(r/s)*sn，pn＝(p/s)*sn，自动计算出每个加热器的阻值和功率，其中r为回路阻值，u为回路电压，p为回路功率，s为回路内所有加热器的总面积，rn为第n个加热器的阻值，sn为第n个加热器的面积，pn为第n个加热器的功率。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用参数化建模方法，应用旋转、展平、拉伸、折弯四种建模方式建立应用于柱面、锥面等曲面类的加热器模板，通过设置尺寸变量，完成不同几何外形的加热器模型快速构建；

(2)本发明在装配表面自动创建安装坐标系、获得安装表面特定的几何信息，将特定的几何信息赋值给特定的参数，驱动曲面类加热器模型的自动变形并快速完全贴合的装配到指定的结构表面位置；

(3)本发明将热控回路设计、加热器阻值计算、热控产品命名规则及方法固化到pro/e中，实现基于三维模型的热控回路设计、加热器阻值及功率的自动计算、加热器模型的批量命名；

(4)本发明可以较为便捷的构建热控产品的全息模型，有效提升航天器热控产品的设计效率，为航天器数字样机构建提供热控装配模型。

附图说明

图1为本发明航天器热控产品三维建模流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图给出本发明的具体实施例对本发明作进一步阐述。

一种航天器热控产品的三维快速建模方法，如图1所示，具体步骤包括：

(1)建立航天器结构模型，将结构模型进行收缩包络处理，形成结构收缩包络模型；

(2)创建航天器热控装配空模型，建立热控骨架模型，将结构收缩包络模型以缺省方式装配到热控装配空模型中，形成初步的热控装配模型；

(3)根据结构收缩包络模型表面几何形状，建立平面、柱面、锥面三种形式加热器模板，在每种模板下，将尺寸变量设置为可变参数；以安装面中心位置为坐标原点，建立x、y轴位于安装面，z轴垂直安装面的坐标系；

(4)选择加热器模板，设置尺寸变量，生成不同几何外形的加热器中间模型；在加热器中间模型侧平面建立主备份引线坐标系，其中z轴指向引线方向，在所创建的引线坐标系位置批量绘制长曲线段，垂直于侧平面并与z轴重合；

(5)在初步的热控装配模型下，选择不同结构表面，获取所选结构表面几何信息，如果结构表面为平面，在装配位置，创建x、y轴在结构表面上，z轴垂直结构表面的坐标系，在平面上利用坐标系重合装配方式自动装配加热器；

如果结构表面为柱面或锥面，获得装配位置到中心轴的距离s以及结构表面与中心轴的夹角θ，将s和θ值分别赋给ly_bendr和ly_bendwa两个参数，并设置加热器在结构表面的旋转角度a，生成与结构表面曲率相同的实体加热器，同时在装配位置创建坐标系，其中x、y轴在结构表面上，z轴垂直结构表面，在柱面或锥面上利用坐标系重合装配方式自动装配加热器。

(6)重复步骤(3)～(5)直至完成所有加热器模型创建与装配；

(7)在初步热控装配模型下，依次选择回路中应包含的加热器模型，确定串并联关系，以骨架模型方式创建回路骨架模型，将回路中包含的加热器及串并联关系记录在回路骨架模型中；

(8)根据热控整体模型的编号要求，对于几何形状、引线位置、阻值和功率、喷漆要求都相同的加热器分配一个模型名称，批量修改加热器模型名称，设置加热器图号，将其写入加热器模型参数中，完成热控装配模型及加热器模型的创建。

所述步骤(1)、(2)分别构建航天器结构模型，形成结构收缩包络模型，建立热控装配空模型，并装结构收缩包络模型。

所述步骤(3)中，对于柱面、锥面的曲面加热器模板，采用旋转、展平、拉伸切削、折弯四种建模特征相结合的方式，实现曲面加热器的参数化建模。

所述步骤(4)-(6)，利用参数化建模，修改加热器模板尺寸变量，创建加热器模型；且自动识别安装面的几何尺寸，驱动加热器弧度调整，采用坐标系装配方法，通过自动在所选位置建立安装坐标系，实现加热器自适应安装面的完全贴合装配。

所述步骤(7)、(8)，以骨架模型方式自动创建回路骨架模型，自动计算加热器阻值、功率，按照热控装配模型命名规则，自动给加热器分配模型编号及图号，建立热控产品的全息模型。

所述平面形式加热器直接建立横截面为三角形、平行四边形、梯形、圆形、扇形的五类加热器模板，其厚度均为参数h。在每个模板正中心建立安装坐标系，z轴垂直安装表面；设置三角形模板尺寸变量包括两边l1、l2及夹角θ1，设置平行四边形模板尺寸变量包括相邻两边l、w及夹角θ2，设置梯形模板尺寸变量包括l3、l4、l5及l3和l4之间的夹角θ3，设置圆形模板尺寸变量为半径r，设置扇形模板尺寸变量为半径r1、r2及顶角θ4。

建立柱面和锥面形式加热器模板方法为：

建立一条草绘线段，生成359°旋转曲面作为加热器原型模板，在草绘线段中点处建立安装点及安装坐标系，z轴垂直安装表面，安装点到旋转轴距离为s，草绘线段与旋转轴夹角为-θ，加热器曲面与旋转轴夹角为a；

定义模型特定尺寸和参数关系：s＝ly_bendr，θ＝ly_bendwa，对于柱面形式θ＝0，a＝ly_bendra,其中参数ly_bendr为安装点旋转半径，ly_bendwa为草绘线段与旋转轴夹角,ly_bendra为加热器旋转角度；

以安装坐标系为基准点，展平原型模板，在展平面以安装坐标系为中心基准，建立三角形、平行四边形、梯形、圆形、扇形五类几何形状模板，各类模板设置的尺寸变量与平面形式加热器一致，加热器最长边不超过旋转线段长度，利用实体折弯按原型模板的ly_bendr和ly_bendwa参数驱动生成用于柱面或锥面的加热器模板。

步骤(7)中，给定回路电压u和回路功率p，利用r＝(u*u)/p、rn＝(r/s)*sn，pn＝(p/s)*sn，自动计算出每个加热器的阻值和功率，其中r为回路阻值，u为回路电压，p为回路功率，s为回路内所有加热器的总面积，rn为第n个加热器的阻值，sn为第n个加热器的面积，pn为第n个加热器的功率。

以需要在一个pro/e创建的长波镜筒结构模型基础上创建热控产品模型为例，该长波镜筒结构有平面、圆柱面、圆台面三种，根据结构表面布局情况及要求，平面需要安装不同尺寸的三角形、梯形加热器，圆柱面需要安装不同尺寸的矩形、圆形加热器，圆台面需要安装不同尺寸的矩形、扇形加热器。

如图1所示，本发明封装pro/e开放接口pro/toolkit快速构建航天器热控产品模型，包括以下步骤：

步骤s10，启动pro/e，建立长波镜筒结构组件模型，并形成结构收缩包络模型。

步骤s20，创建长波镜筒热控组件模型，在其下建立热控骨架模型，并在骨架模型中建立基准坐标系，骨架模型用于后续步骤收集安装表面几何信息；使用缺省装配方式将结构收缩包络模型装配到热控组件模型下。

步骤s30，建立加热器三维模版；在本实施例中建立用于平面装配的三角形加热器模板，用于圆柱面装配的矩形加热器模板，用于圆台面装配的扇形加热器模板。对于三角形热器模板，在本实施例中布局在平面上，首先建立三角形草绘截面，边长l1为1000mm、边长l2为1000mm，夹角θ为60，然后使用拉伸特征方式，厚度h设为2mm，设置三角形模板两边l1、l2及夹角θ作为尺寸变量，在安装表面中心处建立安装坐标系，z轴垂直安装平面。对于矩形加热器模板，在本实施例中布局在圆柱面上，需要先建立原型模板，首先建立一条1000mm长草绘线段，该线段与旋转轴平行、到旋转轴距离s为500mm，生成359°旋转曲面作为原型模板，在草绘线段中点处建立安装点及安装坐标系，z轴垂直安装表面，在关系中定义模型特定尺寸和参数关系：s＝ly_bendr，a＝ly_bendra，在参数中设置ly_bendr为安装点旋转半径，设置ly_bendra为加热器旋转角度；以安装点为基准点，展平原型模板，在展平面以安装坐标系为中心基准，以拉伸切削方式形成矩形实体，厚度h为2mm，矩形长l为1000mm、宽w为800mm，夹角θ1为90°，依据s值利用实体折弯生成用于曲面的矩形加热器模板，将s、a、l、w、θ设为尺寸变量。

对于扇形热器模板，在本实施例中布局在圆台面上，需要先按照上述矩形加热器原型模板构建方法建立原型模板，其中草绘线段与旋转轴夹角θ为-60°、其它参数与矩形加热器原型模板相同，在关系中定义模型特定尺寸和参数关系：s＝ly_bendr，θ＝ly_bendwa，a＝ly_bendra，在参数中设置ly_bendr为安装点旋转半径，设置ly_bendwa为草绘线段与旋转轴夹角，设置ly_bendra为加热器旋转角度；以安装点为基准点，展平原型模板，在展平面以安装坐标系为中心基准，以拉伸切削方式形成扇形实体，厚度h为2mm，扇形内径r1为500mm、内径r2为800mm，夹角θ1为120°，依据s、θ利用实体折弯生成用于曲面的扇形加热器模板，将s、θ、a、r1、r2、θ1设为尺寸变量。

上述模板只需构建一次，后续可以重复利用模板派生具体的加热器模型。

步骤s40，依据s30步骤中建立的三类加热器模板，根据结构表面空间及控温要求，设置加热器尺寸变量，例如一个三角形加热器l1＝20mm，l2＝30mm，夹角θ1＝60°，根据设置的尺寸自动生成不同几何外形的加热器中间模型；在加热器中间模型侧平面建立主备份引线坐标系，其中z轴指向引线方向，在本实施例中所用加热器均为主备份四根引线，所以每个加热器上建立四个引出线坐标系，设置完成后自动在所创建的引线坐标系位置批量绘制20mm长曲线段，垂直于侧平面与z轴重合。

步骤s50，在热控装配模型下，装配加热器模型。在本实施例中，三角形加热器模型生成后，选择安装平面上某一位置，自动在该位置创建安装坐标系，通过坐标系重合方式自动完成加热器装配。矩形加热器模型生成后，选择某一圆柱面作为安装面，自动获得所选圆柱面到旋转轴距离s＝2400mm，通过关系自动将其赋给加热器模型参数ly_bendr，实现矩形加热器弧度与圆柱面弧度相同的变形，设置加热器旋转角度a＝60°，自动完全贴合装配到指定位置。扇形加热器模型生成后，选择某一圆台面位置作为安装面，自动获得所选圆台面到旋转轴距离s＝3500mm、圆台面与旋转轴夹角θ＝45°，通过关系自动将其赋给加热器模型参数ly_bendr、ly_bendwa，实现扇形加热器弧度与圆台面弧度相同的变形，设置加热器旋转角度a＝0，自动完全贴合装配到指定位置。

步骤s60，重复步骤4～5，直至完成所有加热器模型创建与装配。

步骤s70，在热控装配模型下，创建回路骨架模型、计算加热器阻值和功率。在本实施例中，创建3个回路骨架模型，给每个回路分配加热器，建立加热器之间的串并联关系，给定回路电压u和回路功率p，根据公式计算每一个加热器的阻值和功率，将其值自动记录在模型参数r和p中。

步骤s80，调用pro/e重命名功能，根据热控整体模型的编号要求，完成热控组件模型下所有加热器的批量重命名，批量设置加热器图号，将其写入加热器模型参数中，至此完成热控装配模型及元件的快速创建。

本发明采用参数化建模方法，应用旋转、展平、拉伸、折弯四种建模方式建立应用于柱面、锥面等曲面类的加热器模板，通过设置尺寸变量，完成不同几何外形的加热器模型快速构建；

本发明在装配表面自动创建安装坐标系、获得安装表面特定的几何信息，将特定的几何信息赋值给特定的参数，驱动曲面类加热器模型的自动变形并快速完全贴合的装配到指定的结构表面位置；

本发明将热控回路设计、加热器阻值计算、热控产品命名规则及方法固化到pro/e中，实现基于三维模型的热控回路设计、加热器阻值及功率的自动计算、加热器模型的批量命名；

本发明提供了一种航天器热控产品的三维快速建模方法，可以较为便捷的构建热控产品的全息模型，有效提升航天器热控产品的设计效率，为航天器数字样机构建提供热控装配模型。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。