卫星虚拟热试验平台建模工具模块研究

曹志松 ，刘绍然，裴一飞

（1. 可靠性与环境工程技术重点实验室；2. 北京卫星环境工程研究所：北京 100094）

0 引言

卫星虚拟热试验技术是指在虚拟热试验平台所构建的虚拟热试验环境中，利用建立的卫星热物理数字模型开展试验研究，获得卫星随时间和外热流而变化的温度场分布[1]，以验证卫星的热设计；另外通过试验得到的能够反映卫星温度场的特性参数，对卫星的热物理数字模型进行修正。为了达到这个目的，国内外都在开展卫星虚拟热试验技术研究。

目前国外已有一些和虚拟热试验平台相似的软件，但都不具备完整独立的建模模块。例如NEVADA[2]软件在建立模型时要通过用户输入一些固定格式的文本来实现，使用起来很不方便；而Thermal Desktop软件建模时则要通过与AutoCAD耦合来实现，同样会受到很多制约。

北京卫星环境工程研究所也开展了卫星虚拟热试验技术研究，自主研发了卫星虚拟热试验平台。它由多个相对独立的功能模块构成，各个模块之间不能直接进行数据交换,数据传输需要借助数据库进行，即各模块从数据库检索并确认源数据，然后读取源数据并完成特定的任务计算，计算后只需要将计算结果写入数据库中相应的位置。由于热试验系统的结构都很复杂，包含热沉、红外加热装置、支架等，加热条带的数量多达数千根，同时会有各种位置的开孔。本文开发的建模工具具有很强的功能，可以根据红外笼的框架形状、条带间距以及用户输入的其他参数自动的生成红外笼模型；还可以用于基于红外灯阵的加热笼模型建立，具有模型结构的调整功能。此外，本卫星虚拟热试验平台建模工具在三维建模时是一个完全的可视化过程。下面将重点介绍卫星虚拟热试验平台建模工具模块。

1 建模工具模块

1.1 基本思路

虚拟热试验平台的框架结构如图1所示。首先利用建模工具模块创建或者从外部导入卫星数字模型及试验系统数字模型，并建立与测控系统以及卫星的工作状态的接口，然后利用平台的核心求解器进行模型数值计算，最后对计算结果进行分析。

1）建模工具模块

虚拟热试验平台的建模工具模块包含有立方体、球体和圆柱体3种基本几何体，通过几何体的选取可进行几乎任意几何形状的建模；能进行几何体间的布尔运算，比如联合、交集、一减二运算以及二减一运算等等；还可以进行基于数学函数的曲线、多面体、管道等建模并划分网格。

图1 虚拟热试验平台框架结构图Fig. 1 Frame structure of virtual thermal test platform

如图 2(a)为建模工具模块所建立的管道模型示意图，图2(b)为管道模型及网格划分。

图2 管道模型及其网格Fig. 2 Pipeline model and its grids

2）虚拟热试验平台对模型的接口

虚拟热试验平台对模型的接口描述采用“整体－局部”分层对象组合策略，为表现试验系统的物理结构提供了强大的功能。试验系统一般由卫星、热沉、红外加热笼、红外灯阵以及工装支架等组成。可以利用分层对象组合策略来组建试验系统模型，以红外加热笼为例：可以将红外加热笼的结构分解成若干分区，针对每个分区都可以在软件模型中表示成一个对象，再将它们组合起来形成红外加热笼；针对分区对象，还可以进一步分解成子分区对象。图3是试验系统树型结构示意图。

图3 试验系统树型结构Fig. 3 Tree structure of test system

1.2 数据表结构

从图3看，虚拟热试验平台的模型结构是一个递推的分层结构，即系统可以分解成各个子系统，而子系统还可以再进行细分，因此系统结构模型是一个树型结构。描述这种分层结构的数据表有两种方法：邻接列表模式和预排序遍历树算法。下面比较两种树型数据结构的实现：

1）邻接列表模式

所谓邻接列表模式（adjacency list mode）是通过给每个节点增加一个属性来表示这个节点的父节点（parent ），从而将整个树状结构以表的形式描述出来[3]，如表1所示。

表1 红外加热笼分区结构邻接数据列表Table 1 Adjacency list of infrared cage sub-areas

如此一来，可以从根节点知道到任意节点的路径。比如“3级子部件 1-1-1”的路径是“试验系统>红外加热器>红外加热笼>主分区 1”。为了得到这样的一个路径，需要从最末级开始查询得到它的父节点“红外加热笼”，并把它添加到路径中；然后再查询“红外加热笼”的父节点并把它也添加到路径中；以此类推直到最高层的“试验系统” 。这种方法比较简单，容易理解。但是也有缺点，主要表现为运行速度很慢，由于寻找每个节点都需要进行数据库查询，在数据量大的时候，要进行很多查询才能完成一个树的遍历；另外由于要进行递归运算，递归的每一级都需要占用一些内存，所以其空间利用效率也比较低。

2）预排序遍历树算法

预排序遍历树算法（modified preorder tree traversal algorithm）不需要使用递归计算，可以实现更加快速的遍历。针对图3所示的树，首先将每层的结构编排一个序号，如在根节点“试验系统“的左侧标写序号 1；再沿着这个树向下层搜寻，在“卫星“的左侧写上序号 2；然后继续前进给每层结构的每一个节点都标上序号。可以将这些节点的序号值lft、rgt存储到数据库中，如表2所示。

表2 红外加热笼分区结构预排序遍历树算法数据表Table 2 Variables inmodified preordered tree traversal algorithm of infrared cage sub-areas

这种方法不使用递归查询算法，具有更高的查询效率。例如当需要得到“某项下的所有节点，就可以这样写查询语句：

SELECT * FROM engElement WHERE lft BETWEEN num1 AND num2 ORDER BY lft ASC；

要获知一个节点的路径比较简单，如果想知道某节点的路径，就利用它的序号左右值 num1和num2来做一个查询，其语句为：

SELECT name FROM engElementWHERE lft num2 ORDER BY lft ASC；

某个节点的子孙节点数目计算也很简单：子孙总数=(右值-左值-1)/2。

1.3 与其他商业软件的接口

本建模工具模块除了可以根据用户需求创建出任意形状的几何体外，也提供了与 Pro/E[4]、SolidWorks等商业软件的接口，用户可以将这些商业软件中的模型导入虚拟热试验平台中。此外，建模工具可以直接存取NEVADA软件的文件格式，从而方便地进行热分析计算。

2 红外加热笼的建模

本软件的建模工具与一般商业建模造型软件最大的区别在于它的服务对象，可以很方便地进行试验设备模型的建立。下面将介绍利用建模工具模块来创建红外加热笼模型。

红外加热笼可以划分成许多条带，因此其分区是由这些条带组成。划分的条带数量非常多，如果由用户来完成每根条带的建模，则工作量非常繁重，因此系统为用户提供了自动批量生成条带模型的工具。在用户接口界面中，用户首先需要输入该分区的形状参数（红外加热笼的分区形状类型不多，主要有四边形、三角形、圆柱面、圆锥面等）；然后再输入条带拉伸方向、条带间隔等参数，就可以自动生成条带。同时，一个分区为了条带布置方便以及电源的合理配置，往往还需要划分很多子加热分区，它们一般是按照一定规律排列的，系统为其提供了自动划分加热分区的工具。

平台为加热笼的分区设计提供了参数设计界面，可以进行条带宽度、死区高度、弹簧长度、挡板尺寸、最大电流等参数的设置。树型菜单可以使用户灵活的设置红外加热笼模型每一级分区的参数。

根据热设计的结果，平台自动进行红外加热笼条带的生成，同时将结果保存在数据库中，另外用户还可以很方便地进行局部修改，这为下一步试验系统的热分析计算提供了有力的保证。图4是使用本平台的建模工具模块对某型号的红外加热笼所建立的模型图。

图4 红外加热笼（含条带）模型Fig. 4 Model of infrared cage with stripes

3 结束语

本文介绍了虚拟热试验平台中的建模工具模块，它既可建立几乎任意几何形状的模型，又能作几何体间的布尔运算并划分网格；模型的接口描述采用“整体－局部”分层对象组合策略，所建立模型的数据保存在数据表中，采用预排序遍历树算法，而不是传统的递归算法，具有更高的遍历效率；建模工具模块提供了与Pro/E、SolidWorks等商业软件的接口，用户可以方便地将商业软件中的模型导入虚拟热试验平台中。

（References）

[1]Luis R. The virtual test bed project, NASA/CR-2003-211527[R], 2003-12-15

[2]TAC Technologies Inc. Nevada user’s guide[G], 2004

[3]宛延凯. 工程数据库系统[M]. 北京: 清华大学出版社,1999: 7

[4]吴立军, 陈波. Pro/ENGINEER 二次开发技术基础[M].北京: 电子工业出版社, 2006: 7