NASA 下一代运载火箭设计的综合设计和分析

有史以来最大、最强大的火箭 Orbital ATK

ATK Aerospace Group (ATK) 是全球最大的固体火箭推进系统生产商，也是军用和商用飞机结构的领先供应商。它还专门研究小型和微型卫星；卫星部件和子系统；轻型空间可展开装置和太阳能电池板；低成本、快速上市的解决方案；耀斑和诱饵；和含能材料及相关技术。该小组还拥有支持人类和太空有效载荷任务的丰富经验。

ATK 目前的项目之一涉及航天发射系统 (SLS)，它是航天飞机的继任者。美国宇航局将 SLS 描述为“有史以来为完成地球轨道以外的全新人类探索任务而建造的最大、最强大的火箭”。自 40 多年前土星五 将美国宇航员送上月球以来，SLS 将成为 NASA 的第一款探索级飞行器，但 SLS 将把宇航员带入更远的太空，最终包括前往火星的任务。它的首飞计划于 2017 年进行。

ATK 的工作涉及 SLS 的固体火箭助推器，即核心级两侧的双外部结构，为前两分钟的飞行提供额外的推力。早期的 SLS 任务将使用 ATK 也设计的改进型航天飞机固体火箭助推器。然而，ATK 目前的工作涉及设计先进的助推器，这些助推器将具有更大的推力，并用于以后携带更大有效载荷的 SLS 任务。

将 CAE 引入 PLM 环境

近十年来，ATK 一直使用 Siemens Digital Industries Software 的产品生命周期管理 (PLM) 技术，利用 NX? 软件进行设计、Simcenter? 软件进行性能模拟和 Teamcenter? 软件来管理产品信息和流程。“我们与 Siemens Digital Industries Software 建立了长期的合作伙伴关系，”ATK 工程流程和工具组的高级工程师 Ramesh Krishnan 说。“它始于有远见的领导，他们看到了集成系统的好处。”

近年来，该小组一直致力于将分析更好地整合到设计过程中。“我们的挑战是在产品开发周期的早期整合 CAE [计算机辅助工程] 工程师，以便我们能够影响设计，”ATK 工程工具和分析高级经理 Nathan Christensen 说。“考虑到我们作为工程师的天性和我们工具集的复杂性，这可能是一项艰巨的任务。” 与先进助推火箭喷嘴相关的 SLS 项目正在进行的工作很好地说明了他们如何应对这一挑战。

“喷嘴的尺寸将大幅增加，以使我们的电机获得更好的性能，”Krishnan 解释道。“有很多结构，较大的喷嘴可能会在离开垫子的途中撞击。” 助推器的后端有一个裙边，连接在裙边上的是发射架，当火箭在发射台上时，它可以将火箭固定在适当的位置。ATK 正在设计可伸缩支架——这是 ATK 的首创——它会在发射时收回，这样喷嘴就不会撞到它们。

ATK 使用 NX 对助推器的后端进行了建模，包括裙部和可伸缩发射架组件。然后将该数字几何用于两种不同类型的分析，即运动分析和有限元分析 (FEA)。

可伸缩的支架和飓风强度的风

ATK 使用 Simcenter 3D Motion 来模拟火箭升空期间发射架的运动。“对于火箭的速度，我们使用输入 Excel 的曲线，然后将运动模拟速度链接到该电子表格，”Krishnan 解释说。“这是推力与时间的关系，而且效果很好。火箭以适当的加速度起飞。”

接下来，团队进行了 FEA。ATK 可以使用众多 FEA 预处理器和求解器。作为更好地集成分析和设计举措的一部分，ATK 正在努力整合其 CAE 工具，使 Simcenter 3D 和 Simcenter? Nastran? 软件成为标准应用程序，并在必要时填充其他解决方案。“通过这种方式，工程师将使用公司标准，而不是喜欢的标准，”克里斯滕森解释道。“它应该会降低我们现在支持具有类似功能的多种工具的成本，并将促进分析师之间的工作交接。”

从设计几何开始，ATK 使用 Simcenter 3D 准备助推火箭尾部组件的有限元模型。“许多有限元建模包不能很好地处理装配体，但 Simcenter 3D 可以，”Krishnan 解释道。在他看来，使用 Simcenter 3D 的最佳部分是对装配模型所做的更改保留在有限元模型中。“真正出色的是能够在建模部分进行修改并将其转移到 FEA，”Krishnan 说。“它非常无缝。 格会自动更新，非常方便。此外，您保持关联性。您在装配中建立的所有连接都通过 FEA 一直保留在装配中。您不必尝试在 FEA 中移动东西。”

ATK 还喜欢使用 Simcenter 3D 轻松创建几何图形。“我们喜欢这样，我们可以非常快速地将螺栓建模为梁元素和蜘蛛元素，”Krishnan 解释道。“我们可以将这些在空间中自由浮动的部件用一种工具连接在一起，该工具允许您选择螺栓孔的所有表面或边缘，它会自动创建梁单元。这节省了很多时间。”

尽管 ATK 做了一些有限元分析来确定发射架是否足够坚固以承受载荷，但更多的有限元分析是针对后裙板，即火箭和发射台之间的接口，它必须承受火箭的重量（2燃料空载时为 700 万磅轴向载荷；满载时为 700 万磅）以及风载荷（飓风力）。所涉及的负载是巨大的。“我们以前从未在后裙中处理过如此大的负载，”Krishnan 说。

除了节省时间之外，集成 NX 设计和 Simcenter 3D 分析的 ATK 更重要的好处是它让公司相信其模型是准确的。“我们有信心，我们使用 NX 绘制的内容直接用于有限元包，这就是我们正在分析的内容，”Krishnan 解释说。得益于此，ATK 花费更少的时间检查分析模型。“此外，在大型有限元组件中建模接触的问题之一是你必须确保你是在线的。使用 Simcenter 3D，您从一开始就在线。保持联系并确保一切都在正确的位置没有什么大惊小怪的。它总是在正确的位置。” 此外，这个过程通常不太容易出错，因为软件包之间没有翻译。

将分析集成到设计过程中包括使用 Teamcenter 来管理 CAE 工作流程，以及使用 Teamcenter 数据库来存储 CAE 模型、结果、 告和产品结构的链接。“这有助于确保我们不会分析错误的零件或配置，并确保分析师与设计变更保持同步，从而减少 CAE 返工，”Christensen 指出。与公司的设计流程一样，Teamcenter 也用于保持分析项目的正常进行。用于 告和分析的 Teamcenter 解决方案用于跟踪项目状态（按时、预计延迟和延迟）、周期时间和首次通过率。

Christensen 总结了对 Simcenter 3D 进行标准化分析以及以这种方式更好地集成分析和设计的效果：“在产品开发早期集成 CAE 工具可以缩短设计周期，让我们专注于整体设计周期时间而不是分析周期时间。此外，我们相信通过谨慎和战略性的 CAE 工具标准化可以实现显着的成本节约和生产力提升。最重要的是，如果尽早与设计团队合作，CAE 是最有效的。”