结构专业推动标准化工作探讨*

王庆伟

（北京空天技术研究所，北京，100074）

研究与探讨

结构专业推动标准化工作探讨*

王庆伟

（北京空天技术研究所，北京，100074）

文摘：立足于推动高马赫数飞行器标准化工作开展，在简述飞行器结构设计及其特点的基础上，分析结构设计标准化建设中的主要环节与保障条件。

飞行器结构；结构设计；设计标准化。

随着高马赫数飞行器的出现，飞行器设计制造技术发生了很大变化，身处严酷的气动热/力环境，使得飞行器设计不同于以往的飞机和导弹，它的产品定位、模型建立和生产关系都发生了改变。大量新技术的应用，使得高马赫数飞行器的设计制造已经不能由一个单位来实现，需要结合全国多家先进设计制造单位来共同完成。面对更加复杂的设计制造体系，需要从系统层面对高马赫数飞行器研发进行规划和控制，综合考虑各部门协作关系，进行标准化的协作。

标准化能够避免浪费、规范员工工作行为、提高工作效率。基于这一目的发起协商活动，将那些能够提高效率和质量的规定制定为标准，使参与的人员共同遵守这一商定的标准[1]。标准的适用范围可能会随着技术发展、通过实践后逐步扩大，但标准的实施并不是适用于所有领域的，如在某些需要创新的领域尤其是研发领域，某些标准的实施会限制研发人员工作的积极性、主动性和灵活性，使其缺乏想像力与创新能力。对于未来飞行器的结构设计，需要面临创新性研究如何与高效的标准化工作相衔接和相互促进。

1 结构设计及其特点

结构设计是指：依据输入条件和性能要求，完成可实现的模型设计。结构设计是飞行器设计的关键环节，是连接总体方案设计与生产制备的枢纽。

对于飞行器结构设计环节，其设计输入一般主要包含外形、载荷环境（力、热、振动等）和结构响应要求（重量、重心、变形、固有频率等），具体的结构设计为满足上述所有要求的输出，而设计过程为基本原理（力学、热学、动力学等）的合理运用。但是，在传统结构设计中，基本是先根据经验给出某结构型式和工艺方案，进而完成初步设计，然后对设计进行校核。如此迭代多轮完成结构设计，更多的是一种“经验式”被动结构设计方法。这种自下而上的校核式设计，往往导致结构的有效利用率低、减重空间小等问题，更是影响了高马赫数飞行器的设计与开发。

随着低马赫数飞行器到高马赫数飞行器的快速发展，整个飞行器系统对于结构质量比的要求越来越高，对于结构设计提出了更高的要求。高马赫数飞行器结构设计重点关注两个方面：一是机身承载结构设计；二是热防护系统的设计。

针对机身承载结构，国内外飞行器结构设计人员正在探索研究一种新的基于飞行器总体层面的结构设计方法。其基本思想是：①基于三维结构拓扑优化等设计方法，通过计算机仿真优化技术完成基于载荷和指标要求的飞行器结构传力路线设计；②基于计算机仿真优化出来的飞行器结构密度分布，设计者可以直接选用传统的蒙皮、筋和梁等具体特征，或者研究开发出新的细化结构型式，例如点阵结构；③结合工艺开展具体的飞行器设计生产。

高马赫数飞行器身处严酷的气动热/力载荷环境，目前主要采用冷结构+大面积外防热的结构型式来满足应用需求。由于热防护结构面临着严酷的热/力学载荷条件，实现防护的技术难度大，技术探索性强。因此，需要大力开展热防护结构设计技术研究和标准化工作，明确热防护设计技术的相关规范。

2 结构设计标准化

结构设计标准化不是简单认为的产品参数或者是技术标准化，其不仅包括技术标准化，而且还应当包括管理标准化和工作标准化，如一套管理体系或者一种操作方法的实施，都可以称为标准化。结构设计标准化工作方式如图1所示。结构设计流程为：接到任务后，开展方案设计与方案评审，然后提交任务进行生产加工。结构设计过程中伴随着有效地监督执行机制与支撑保障条件（设计指导文件、数据库等）。

图1 结构设计标准化工作方式

结构设计阶段是飞行器研制开发的重要阶段，对后续各环节工作影响重大。结构设计标准化主要作用：①实现产品的设计质量；②全面推进型号研制“三化”工作；③降低设计和制造成本、简化工作难度等。在结构设计过程中进行标准化建设有以下几方面工作内容。

2.1 结构设计参数化

结构设计进行参数化建模，可以简化构件与构件之间的连接关系，并可为设计组合创造更多方式。在进行多方案对比和型号改进设计过程中，参数化建模可以提高工作效率，减少设计成本，方便后续细化研究。结构设计参数化表现在：①尽量采用二维结构构件，采用二维构件组合成简单的三维构件；②设计统一的结构梁、横框模型；③选用形状相同、宽度相近的蒙皮构件，尽量设计统一的口盖大小；④合理设计接头构件可减少构件种类。

2.2 结构设计模块化

标准化设计需要对飞行器结构进行模块化分类，大模块包括机身、机翼、舵面结构型式设计等；小模块包括加强筋、横框和口盖设计等。在结构设计初期，宜选择大模块进行设计，选用大模块可以从总体层面对飞行器结构进行初步设计，确定飞行器主承力结构，完成对飞行器小模块的分解，便于进一步细化研究；对于分解出来的飞行器小模块（加强筋和横梁等），可以在保持接头不变的条件下，在结构大小和型式上作任何需要的精细化设计。

2.3 预制标准化构件

对于夹层板、梁和框构件均属于结构受力构件，在满足受力安全的状况下，应尽量统一截面尺寸；结构布置时应尽量均匀，相近跨度的梁、框截面设计应统一，并尽量减少次梁和框的数量。基于此种结构设计，可以提前批量预制好夹层板、梁和框等结构件，以减少生产成本和周期。

2.4 结构设计精细化

如果仅仅依据传统设计文件和已有型号的设计经验，在一定程度上容易产生惰性思维，限制工艺水平提升，进而限制研究人员的设计思路，这对于外形变化较大的高马赫数飞行器的研制开发是很不利的。应该将每个构件、部件的设计做到与工艺的有机结合；对设计原理和尺寸形状进行仔细推敲、对比，并对初定的设计成果进行试生产检验，确保设计通过工厂制造可以实现；在整体组合时，要考虑适度的变化，尽量通过各种部件的变化组合，来实现最终成果的多样化。高马赫数飞行器的异形构件使用越来越多，结构精细化设计越来越重要，构件的精细化设计是对设计指导文件更新换代的重要手段。

2.5 外防热层模块化设计

外防热层模块化设计生产是现阶段普遍应用的一种方式，预制外防热层可以减少加工生产周期，利于检查和维修。外防热层的研制开发，从原材料选择、加工工艺、连接方式、试验技术、密封技术等，正经历着从无到有，以及标准化、规模化生产的转变。基本杜绝了传统的根据经验方法和试验结果反复铺设隔热毡等烧蚀材料的试错方法。

3 标准化工作保障条件

结构设计标准化工作方式与方法的建立，对于提高设计工作效率具有重要意义。然而，未来飞行器结构设计需要同时具备两个特点：创新性研发与标准化，这对结构设计标准化建设提出了更高的要求。建立结构设计标准化需要必要的保障条件包括：完善的信息化管理系统和标准化操作文件、标准化模型数据库、人员培训以及监督管理体系等。

a）为了便于标准化流程化管理，需要建立信息化管理系统，包括任务发布、项目要求、输入条件、完成形式、完成时间、设计人员以及审核人员等，需要在系统上明确列出，以便于统筹管理。

b）将设计指导手册进行电子信息化管理，以便于设计人员使用，这也方便审核人员对设计人员的工作进行检查。建立规范、系统的操作文件，完善各种操作规程，以减少各种不规范的操作行为，提高工作质量。只有建立并实施系统、规范、完善的各种规程和文件，才能有效实现设计管理规范化、设计流程条理化，按照相同规程和文件开展工作，为结构设计标准化提供保障。各种规范、流程的制定，一定要以方便技术人员工作为前提，最好让结构设计领域资深人员参与进来，不能让管理人员越俎代庖。保障条件是为技术人员服务的，方便技术人员更好地开展工作。

c）从材料层面、加工工艺、结构化模块和标准化的仿真分析方法等全方位建立标准化模型数据库。这个数据库建立的工作量巨大，国外飞机厂商经过几十年的生产研究都建立了自己的标准化数据库，而我国还处于起步阶段，需要大量的积累性工作。同时，在高马赫数飞行器领域与国外企业开展竞争，大量新材料、新结构型式、新设计方法纷纷出现，进一步加大了建立标准化信息库的难度。这些都需要大量相关行业领域的技术支持。

d）做好人员培训，提高基层岗位人员技能与责任心。有了规范的设计流程和设计指导文件，剩下的就是依靠设计人员按流程开展设计研究工作。有了标准化的设计流程，设计成果不会因为人员的差异而有很大差别，可以有效地减少设计缺陷，便于其他人员检查，并可以随时换人接手工作，不会对任务的工期造成明显影响。制定标准化流程的同时，需要对上岗人员进行相关技能培训，并加强责任心教育，重点明确每个人员在该项工作中的责任，做到设计过程中每个环节都有明确的责任人，便于总体协调管理。

e）建立健全管理制度体系，搭建结构设计监督体系。为使设计人员按照设计流程规范进行结构设计，需要有相应的管理体系作为配套，减少非技术原因影响设计工作的开展。同时，建设完善的设计过程监督体系，这个体系要能方便监督人员随时对整个结构设计工作的进度和状态进行监控，并对重点区域进行重点监控，随时发现问题，提醒相关设计责任人进行解决。

结构设计工作标准化是大势所趋，如果没有一个规范的流程来指导，则必然会导致设计人员各行其是，这样不仅容易产生疏忽，导致严重的设计缺陷，而且会降低工作效率。因此，需要建立一套完善、有效、而且易于操作和执行的设计流程，来指导设计人员按步骤、循规范进行设计。要建立一个切实可用的结构设计标准化体系，不是某个单位或某个体系可以独立完成的，需要全行业共同努力并长期积累才能实现。我们期待更多的同仁参与总结、共享经验，也希望结构设计行业组织开展专题研究，编制标准化设计指导手册，以促进结构设计标准化建设健康、快速发展。

[1]王平.国内外标准化理论研究及对比分析报告[J]，中国标准化，2012（5）.

王庆伟（1983年—），男，博士，结构设计与动力技术研究室，工程师，专业方向：飞行器结构设计工作、轻质结构技术研究。

*本文源于国家自然科学基金资助项目：晶粒尺寸层状分布NiAl板材设计制备与力学行为研究（51541110）。