弹箭体结构强度专业的知识体系及应用模式研究

◎北京宇航系统工程研究所 王立朋等

弹箭体结构强度专业的知识体系及应用模式研究

◎北京宇航系统工程研究所 王立朋等*

弹箭体结构强度专业是对弹箭体结构进行强度分析和设计的一门专业。它综合运用力学、数学等基础理论和先进计算工具，在弹箭体结构研制的过程中保障结构的安全可靠以及轻量化目标的实现。在长期的应用中，强度专业的知识体系在结构研制流程中形成了特有的应用模式，并解决了大量关键问题。但面向未来，无论是从强度专业自身角度还是型号研制的价值发挥，当前的知识体系应用模式将无法满足发展的需求，其将面临革新。

基于上述背景，笔者通过分析强度专业知识体系的结构及其当前应用模式的特征，对限制专业发展的瓶颈问题进行定位。然后针对问题的解决提出知识体系新的应用模式，即一种新的弹箭体结构设计流程。旨在通过这种设计流程的论证促进强度专业知识体系的发展，并提高弹箭体结构强度专业在型号研制中的系统参与性。

一、强度专业知识体系结构

1.强度专业的基本情况

弹箭体结构强度专业建立于20世纪60年代，负责编写弹箭体结构强度计算的工程算法，而后一直负责强度计算工作；90年代引入结构有限元方法，专业技术水平逐渐提高，能力范围渐广；从2008年开始着眼于技术的规范性和系统性，启动了一系列标准规范和模板工具工作。

目前，该专业形成了结构静力学分析技术、结构动力学与动强度分析技术、结构优化技术等8类结构强度分析/设计技术，在型号研制的各个阶段发挥重要作用。

2.知识体系的结构

强度专业的知识体系是指强度专业在弹箭体结构研制中所涉及的知识总和。近年来，强度专业知识体系主要从两个方面进行建立：一是对外承担的功能，即在弹箭体结构研制流程中解决结构问题；二是提高工作效率的措施，即将知识整理成标准规范和工具等。因此，当前的知识体系可分为面向解决结构问题和提高工作效率两大类，见图1。

图1 强度专业知识体系的基本结构

二、当前应用模式及存在的问题

1.应用模式

强度专业当前的知识体系结构建立在以解决结构问题为核心的出发点之上，这是长期以来强度专业的知识体系在弹箭体结构研制流程中所形成的应用模式，见图2。

在该模式中，强度专业将核心技术通过工程算法、有限元方法、优化运算的实施途径，解决从方案设计到问题复现等一系列结构问题；与此同时，建设知识库为核心技术提供数据、工具和方法的各种支撑。强度专业的核心作用是形成知识体系结构的主要原因。

2.存在的问题

当前的强度专业知识体系应用模式在解决大量弹箭体结构关键问题的同时，使强度专业不断发展并完善核心技术体系。但面向未来，这种应用模式存在两方面的问题。

从强度专业在型号研制中的价值发挥角度而言，在当前的弹箭体结构研制流程中，强度专业的作用主要集中于解决结构问题，这使该专业成为针对问题提供解决方案的技术服务者，缺乏参与型号研制的系统性，难以在型号研制中充分发挥作用，如在促进精细化和轻量化设计方面的能力。

从知识体系本身的角度而言，当前的应用模式使知识体系的发展以强度技术为核心，缺乏面向型号研制全局的相应内容。由于知识体系是专业发展的根基和支撑，因此不利于强度专业在型号研制中的系统性参与，使强度技术难以在型号研制中充分发挥作用，这是当前知识体系应用模式的主要问题。

三、未来的应用模式

造成当前强度专业知识体系应用模式的主要原因是弹箭体结构研制流程以结构几何样机为主线。这种研制流程以结构几何信息为结构产品的主要表现形式，并在型号研制的各个阶段进行流转。因此，要提高强度专业在研制流程中的系统性参与，需改变研制流程以结构几何样机为主线的特征。针对此，笔者提出一种新的弹箭体结构设计流程，以结构几何样机和结构性能样机的共同完善过程为主线，是强度专业知识体系的未来应用模式。

1.结构性能样机

结构性能样机是根据结构设计参数，通过强度专业的理论计算和仿真得出结构性能指标的各种理论及仿真模型的实例合集。

图2 当前的强度专业知识体系应用模式

性能样机是结构设计技术、IT技术和知识管理技术相融合的产物，典型的结构性能样机与知识库的关系如图3所示。

结构性能样机是结构设计工具库中相关联的设计工具应用实例的有机组合，包含了输入输出参数和关键计算参数的计算公式、计算程序和分析模型。输入参数为结构设计参数、其它实例输出结果或总体原始数据，其输出参数为结构性能指标或者中间数据。

2.一种新的弹箭体结构设计流程

基于上述结构性能样机，笔者提出了一种新的弹箭体结构设计流程，如图4所示。与当前的设计流程中以结构几何样机为主线不同，新流程以包括几何样机和性能样机的数字样机完善程度为设计主线，其中几何样机指结构数字化三维CAD模型，性能样机则是结构设计工具库中相关联设计工具应用实例的有机组合，是证明结构设计方案合理可行的理论可行解。

图3 典型的结构设计知识库和结构性能样机组成与关系

基于结构性能样机驱动的结构设计流程就是结构性能样机的发展完善过程，也是强度专业知识体系的未来应用模式。在该设计流程的预研、方案和初样阶段主要基于结构设计知识库进行设计数字化设计，不仅设计几何样机，更重要的是设计、完善性能样机，使其逐步完备，在初样阶段末期形成完备的结构性能样机，即形成产品的理论解，反映的结构设计方案满足各项理论计算要求，通过数值仿真验证满足结构设计标准规范要求，吸取了以往的经验教训。在此基础上进行结构产品的物理实物生产和地面试验，将提升产品的性能指标，避免绝大多数的产品问题，保证产品研制周期并降低产品设计成本。

基于结构性能样机驱动的结构设计流程也是结构设计知识的创新、演进发展过程。随着结构产品的研制，不断发现各种新问题，获取新的知识和数据，在技术攻关中形成新方法、新工具，这些都将作为知识库的内容进行补充和完善，从而推进结构设计知识的创新、演进和发展，不断提升结构设计专业的业务能力和技术水平，并间接推动提升未来产品的性能指标。

基于结构性能样机的弹箭体结构研制流程，以结构几何样机和结构性能样机的共同完善过程为主线，区别于当前以结构几何样机为主线的研制流程的主要特征，将是强度专业知识体系的未来应用模式。

图4 新的弹箭体结构设计流程

*其他作者：吴浩、田建东、张希、曾杜娟、杨帆