概述

美國國家航空航天局（NASA）的太空發射係統（SLS）可通過獵戶座飛船運載多達四人的航天員乘組探測多個(ge) 深空目標。SLS 以一種可發展的架構為(wei) 核心進行設計，支持從(cong) 77 公噸（77 噸）到 130 公噸（143 噸）的各種推力型號。SLS 的芯級高 200 英尺，直徑 27.6 英尺，將儲(chu) 存供四台 RS-25 發動機使用的液氫和液氧。RS-25 曾用作航天飛機的主發動機，在 135 次發射任務中成功率達 100%。為(wei) 能在 SLS 上使用，對 RS-25 進行了修改，通過大量改進措施將其功率從(cong) 491,000 真空推力磅提升至512,000 真空推力磅。

挑戰

NASA 的工程師們(men) 修改過大量的燃料泵部件設計，這些部件用於(yu) RS-25 以及包括 SLS 在內(nei) 的眾(zhong) 多發動機係統。他們(men) 將先期的 CAD 設計模型作為(wei) 分析工作的基礎。這些模型直接通過第三方轉換器或者類似於(yu) STEP的開放標準獲得。根據以往的經驗，這兩(liang) 種數據共享方式存在一些隱患，在由專(zhuan) 用幾何核心形式轉換成工業(ye) 標準形式時，會(hui) 將幾何不規則性和過度細化傳(chuan) 遞給後續處理。這是個(ge) 係統性問題，與(yu) NUBS 和 NURBS 的實現方式有關(guan) ，由拓撲邊界不兼容性引起。 

這導致了專(zhuan) 門用於(yu) 轉換處理的軟件技術開發，采用複雜的算法來清理幾何體(ti) ，並可複用CAD 數據，從(cong) 而滿足基於(yu) 域進行網格劃分的軟件的需要。近期的技術創新不僅(jin) 能明顯改善處理過程、縮短分析建模時間，還表現出對此類“高精尖技術”的大幅提升，這一點在馬歇爾航天中心得到了證實。

這裏舉(ju) 一個(ge) 相應的例子，展示了一個(ge) 來自第三方參數化實體(ti) 建模程序的 CAD 幾何體(ti) 被刪改為(wei) 通用幾何體(ti) 。這類幾何體(ti) 一般用於(yu) 表征複雜的機翼幾何體(ti) 類型，例如 NASA 所分析的發動機和燃料泵渦輪葉片。但是，在對由第三方程序生成的幾何體(ti) 進行用於(yu) 結構分析的網格化之前，需要完成相當多的清理工作。根據合同要求在 NASA 馬歇爾航天中心（MSFC）工作的 Dynetics 技術服務公司高級機械工程師 W. Scott Taylor表示：“包圍葉片前緣和後緣的葉片剖麵表麵不能有接縫，這有助於(yu) 在這些關(guan) 鍵部位進行更精細的離散化網格劃分。”

另一個(ge) 問題是，用於(yu) 定義(yi) 葉片剖麵的 NURBS 表麵的控製點網絡也過於(yu) 密集。

此類表麵的基礎表達方式阻礙了對一些細分麵的清理，而這些細分麵應進行離散化網格劃分。這一問題直到經過轉換的幾何體(ti) 被讀入NASA 的結構網格化預處理器時才被發現。在結構分析預處理器中，由於(yu) 無法分離基礎的 NURBS 數據，阻礙了將 B-Rep“縫合”到實體(ti) 上。這就需要再次應用其他的方法，但仍然於(yu) 事無補。最終，必須重新定義(yi) 有問題的幾何體(ti) 並刪除父幾何體(ti) 。由此生成的“補丁”有助於(yu) 實現結構離散化，並且在目視檢查中顯示正確，但會(hui) 包含新的畸變。在向結構預處理器轉換時，會(hui) 再次妨礙實體(ti) 模型的創建。這些問題代表了當前從(cong) CAD 向 CAE 進行數據轉換時常見的缺陷，修正它們(men) 需要耗費大量的時間。這將使實現預計的裏程碑目標在時間上出現問題，有時會(hui) 打亂(luan) 關(guan) 鍵路徑的迭代次數。

解決(jue) /驗證

Taylor 通過使用 MSC Apex 建模器中的高級幾何體(ti) 修改工具，極大地簡化了複用 CAD 幾何體(ti) 時的處理工作。

MSC Apex 中的“邊界抑製”功能用於(yu) 在一個(ge) 步驟中識別並刪除所有不必要的邊界邊緣。Taylor 使用這種工具刪除了大量隨意線段和小部段。用戶可通過已確定的草繪線創建新的表麵邊界。還可以通過選中的草繪曲線創建新的表麵域。MSC Apex 為(wei) 用戶提供了選擇權，既可以依次創建各個(ge) 表麵，也可以一次性創建完所有的新表麵邊界，然後返回通過指定新曲線來分割表麵。選擇所需的網格參數，然後創建全局實體(ti) 單元網格，同時基於(yu) 細化和拓撲相容性來保持曲率。

由用戶指定表麵邊界有助於(yu) 在葉片的前緣、後緣及圓角幾何體(ti) 上保持理想的網格分布。Taylor 表示：“我們(men) 隻需在前緣上指定位置並點擊按鈕就可以創建線段。例如，我們(men) 觸擊葉片的頂部在前緣上創建一條接縫。我們(men) 在葉片的後緣、根部及尖部創建三個(ge) 以上的接縫。”由此可在葉片與(yu) 護罩分界麵之間創建高逼真度的網格。Taylor 通過拖拽將表麵封閉、形成融合表麵，可以閉合剩餘(yu) 的縫隙並消除重疊，此時 MSC Apex 會(hui) 自動將各部分進行匹配形成融合表麵。

結果

通過以上 MSC Apex 演示我們(men) 看到，在一個(ge) NASA 的工程師們(men) 反複分析了數十年的常見渦輪機葉片幾何體(ti) 上，清理幾何不規則性、隨意線段的工作就像 Taylor 說的那樣“從(cong) 兩(liang) 天縮短至一小時”。Taylor 補充道：“在馬歇爾航天中心的大量運載火箭的結構部件中經常會(hui) 遇到這些問題。MSC Apex 功能組合所表現出的技術創新及易用性遙遙領先於(yu) 我所用過的任何其他獨立的 CAD 修補工具或集成的 CAD-CAE 網格劃分軟件。我從(cong) 1989 年起就一直從(cong) 事這類工作。據我估計，在馬歇爾航天中心各種類型的結構建模任務中，使用 MSC Apex 所能縮短的時間可以做到上麵演示中所達到的那個(ge) 比例。”