彈箭體結構強度專業(yè)的知識體系及應用模式研究

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 王立朋等

彈箭體結構強度專業(yè)的知識體系及應用模式研究

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 王立朋等*

彈箭體結構強度專業(yè)是對彈箭體結構進行強度分析和設計的一門專業(yè)。它綜合運用力學、數(shù)學等基礎理論和先進計算工具，在彈箭體結構研制的過程中保障結構的安全可靠以及輕量化目標的實現(xiàn)。在長期的應用中，強度專業(yè)的知識體系在結構研制流程中形成了特有的應用模式，并解決了大量關鍵問題。但面向未來，無論是從強度專業(yè)自身角度還是型號研制的價值發(fā)揮，當前的知識體系應用模式將無法滿足發(fā)展的需求，其將面臨革新。

基于上述背景，筆者通過分析強度專業(yè)知識體系的結構及其當前應用模式的特征，對限制專業(yè)發(fā)展的瓶頸問題進行定位。然后針對問題的解決提出知識體系新的應用模式，即一種新的彈箭體結構設計流程。旨在通過這種設計流程的論證促進強度專業(yè)知識體系的發(fā)展，并提高彈箭體結構強度專業(yè)在型號研制中的系統(tǒng)參與性。

一、強度專業(yè)知識體系結構

1.強度專業(yè)的基本情況

彈箭體結構強度專業(yè)建立于20世紀60年代，負責編寫彈箭體結構強度計算的工程算法，而后一直負責強度計算工作；90年代引入結構有限元方法，專業(yè)技術水平逐漸提高，能力范圍漸廣；從2008年開始著眼于技術的規(guī)范性和系統(tǒng)性，啟動了一系列標準規(guī)范和模板工具工作。

目前，該專業(yè)形成了結構靜力學分析技術、結構動力學與動強度分析技術、結構優(yōu)化技術等8類結構強度分析/設計技術，在型號研制的各個階段發(fā)揮重要作用。

2.知識體系的結構

強度專業(yè)的知識體系是指強度專業(yè)在彈箭體結構研制中所涉及的知識總和。近年來，強度專業(yè)知識體系主要從兩個方面進行建立：一是對外承擔的功能，即在彈箭體結構研制流程中解決結構問題；二是提高工作效率的措施，即將知識整理成標準規(guī)范和工具等。因此，當前的知識體系可分為面向解決結構問題和提高工作效率兩大類，見圖1。

圖1 強度專業(yè)知識體系的基本結構

二、當前應用模式及存在的問題

1.應用模式

強度專業(yè)當前的知識體系結構建立在以解決結構問題為核心的出發(fā)點之上，這是長期以來強度專業(yè)的知識體系在彈箭體結構研制流程中所形成的應用模式，見圖2。

在該模式中，強度專業(yè)將核心技術通過工程算法、有限元方法、優(yōu)化運算的實施途徑，解決從方案設計到問題復現(xiàn)等一系列結構問題；與此同時，建設知識庫為核心技術提供數(shù)據(jù)、工具和方法的各種支撐。強度專業(yè)的核心作用是形成知識體系結構的主要原因。

2.存在的問題

當前的強度專業(yè)知識體系應用模式在解決大量彈箭體結構關鍵問題的同時，使強度專業(yè)不斷發(fā)展并完善核心技術體系。但面向未來，這種應用模式存在兩方面的問題。

從強度專業(yè)在型號研制中的價值發(fā)揮角度而言，在當前的彈箭體結構研制流程中，強度專業(yè)的作用主要集中于解決結構問題，這使該專業(yè)成為針對問題提供解決方案的技術服務者，缺乏參與型號研制的系統(tǒng)性，難以在型號研制中充分發(fā)揮作用，如在促進精細化和輕量化設計方面的能力。

從知識體系本身的角度而言，當前的應用模式使知識體系的發(fā)展以強度技術為核心，缺乏面向型號研制全局的相應內(nèi)容。由于知識體系是專業(yè)發(fā)展的根基和支撐，因此不利于強度專業(yè)在型號研制中的系統(tǒng)性參與，使強度技術難以在型號研制中充分發(fā)揮作用，這是當前知識體系應用模式的主要問題。

三、未來的應用模式

造成當前強度專業(yè)知識體系應用模式的主要原因是彈箭體結構研制流程以結構幾何樣機為主線。這種研制流程以結構幾何信息為結構產(chǎn)品的主要表現(xiàn)形式，并在型號研制的各個階段進行流轉。因此，要提高強度專業(yè)在研制流程中的系統(tǒng)性參與，需改變研制流程以結構幾何樣機為主線的特征。針對此，筆者提出一種新的彈箭體結構設計流程，以結構幾何樣機和結構性能樣機的共同完善過程為主線，是強度專業(yè)知識體系的未來應用模式。

1.結構性能樣機

結構性能樣機是根據(jù)結構設計參數(shù)，通過強度專業(yè)的理論計算和仿真得出結構性能指標的各種理論及仿真模型的實例合集。

圖2 當前的強度專業(yè)知識體系應用模式

性能樣機是結構設計技術、IT技術和知識管理技術相融合的產(chǎn)物，典型的結構性能樣機與知識庫的關系如圖3所示。

結構性能樣機是結構設計工具庫中相關聯(lián)的設計工具應用實例的有機組合，包含了輸入輸出參數(shù)和關鍵計算參數(shù)的計算公式、計算程序和分析模型。輸入?yún)?shù)為結構設計參數(shù)、其它實例輸出結果或總體原始數(shù)據(jù)，其輸出參數(shù)為結構性能指標或者中間數(shù)據(jù)。

2.一種新的彈箭體結構設計流程

基于上述結構性能樣機，筆者提出了一種新的彈箭體結構設計流程，如圖4所示。與當前的設計流程中以結構幾何樣機為主線不同，新流程以包括幾何樣機和性能樣機的數(shù)字樣機完善程度為設計主線，其中幾何樣機指結構數(shù)字化三維CAD模型，性能樣機則是結構設計工具庫中相關聯(lián)設計工具應用實例的有機組合，是證明結構設計方案合理可行的理論可行解。

圖3 典型的結構設計知識庫和結構性能樣機組成與關系

基于結構性能樣機驅動的結構設計流程就是結構性能樣機的發(fā)展完善過程，也是強度專業(yè)知識體系的未來應用模式。在該設計流程的預研、方案和初樣階段主要基于結構設計知識庫進行設計數(shù)字化設計，不僅設計幾何樣機，更重要的是設計、完善性能樣機，使其逐步完備，在初樣階段末期形成完備的結構性能樣機，即形成產(chǎn)品的理論解，反映的結構設計方案滿足各項理論計算要求，通過數(shù)值仿真驗證滿足結構設計標準規(guī)范要求，吸取了以往的經(jīng)驗教訓。在此基礎上進行結構產(chǎn)品的物理實物生產(chǎn)和地面試驗，將提升產(chǎn)品的性能指標，避免絕大多數(shù)的產(chǎn)品問題，保證產(chǎn)品研制周期并降低產(chǎn)品設計成本。

基于結構性能樣機驅動的結構設計流程也是結構設計知識的創(chuàng)新、演進發(fā)展過程。隨著結構產(chǎn)品的研制，不斷發(fā)現(xiàn)各種新問題，獲取新的知識和數(shù)據(jù)，在技術攻關中形成新方法、新工具，這些都將作為知識庫的內(nèi)容進行補充和完善，從而推進結構設計知識的創(chuàng)新、演進和發(fā)展，不斷提升結構設計專業(yè)的業(yè)務能力和技術水平，并間接推動提升未來產(chǎn)品的性能指標。

基于結構性能樣機的彈箭體結構研制流程，以結構幾何樣機和結構性能樣機的共同完善過程為主線，區(qū)別于當前以結構幾何樣機為主線的研制流程的主要特征，將是強度專業(yè)知識體系的未來應用模式。

圖4 新的彈箭體結構設計流程

*其他作者：吳浩、田建東、張希、曾杜娟、楊帆