◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 王立朋等

彈箭體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專業(yè)的知識體系及應(yīng)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度專業(yè)是對彈箭體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析和設(shè)計的一門專業(yè)。它綜合運(yùn)用力學(xué)、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)理論和先進(jìn)計算工具，在彈箭體結(jié)構(gòu)研制的過程中保障結(jié)構(gòu)的安全可靠以及輕量化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在長期的應(yīng)用中，強(qiáng)度專業(yè)的知識體系在結(jié)構(gòu)研制流程中形成了特有的應(yīng)用模式，并解決了大量關(guān)鍵問題。但面向未來，無論是從強(qiáng)度專業(yè)自身角度還是型號研制的價值發(fā)揮，當(dāng)前的知識體系應(yīng)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(qiáng)度專業(yè)知識體系的結(jié)構(gòu)及其當(dāng)前應(yīng)用模式的特征，對限制專業(yè)發(fā)展的瓶頸問題進(jìn)行定位。然后針對問題的解決提出知識體系新的應(yīng)用模式，即一種新的彈箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計流程。旨在通過這種設(shè)計流程的論證促進(jìn)強(qiáng)度專業(yè)知識體系的發(fā)展，并提高彈箭體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專業(yè)在型號研制中的系統(tǒng)參與性。

一、強(qiáng)度專業(yè)知識體系結(jié)構(gòu)

1.強(qiáng)度專業(yè)的基本情況

彈箭體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專業(yè)建立于20世紀(jì)60年代，負(fù)責(zé)編寫彈箭體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算的工程算法，而后一直負(fù)責(zé)強(qiáng)度計算工作；90年代引入結(jié)構(gòu)有限元方法，專業(yè)技術(shù)水平逐漸提高，能力范圍漸廣；從2008年開始著眼于技術(shù)的規(guī)范性和系統(tǒng)性，啟動了一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和模板工具工作。

目前，該專業(yè)形成了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析技術(shù)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)與動強(qiáng)度分析技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)等8類結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析/設(shè)計技術(shù)，在型號研制的各個階段發(fā)揮重要作用。

2.知識體系的結(jié)構(gòu)

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

圖1 強(qiáng)度專業(yè)知識體系的基本結(jié)構(gòu)

二、當(dāng)前應(yīng)用模式及存在的問題

1.應(yīng)用模式

強(qiáng)度專業(yè)當(dāng)前的知識體系結(jié)構(gòu)建立在以解決結(jié)構(gòu)問題為核心的出發(fā)點(diǎn)之上，這是長期以來強(qiáng)度專業(yè)的知識體系在彈箭體結(jié)構(gòu)研制流程中所形成的應(yīng)用模式，見圖2。

在該模式中，強(qiáng)度專業(yè)將核心技術(shù)通過工程算法、有限元方法、優(yōu)化運(yùn)算的實(shí)施途徑，解決從方案設(shè)計到問題復(fù)現(xiàn)等一系列結(jié)構(gòu)問題；與此同時，建設(shè)知識庫為核心技術(shù)提供數(shù)據(jù)、工具和方法的各種支撐。強(qiáng)度專業(yè)的核心作用是形成知識體系結(jié)構(gòu)的主要原因。

2.存在的問題

當(dāng)前的強(qiáng)度專業(yè)知識體系應(yīng)用模式在解決大量彈箭體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵問題的同時，使強(qiáng)度專業(yè)不斷發(fā)展并完善核心技術(shù)體系。但面向未來，這種應(yīng)用模式存在兩方面的問題。

從強(qiáng)度專業(yè)在型號研制中的價值發(fā)揮角度而言，在當(dāng)前的彈箭體結(jié)構(gòu)研制流程中，強(qiáng)度專業(yè)的作用主要集中于解決結(jié)構(gòu)問題，這使該專業(yè)成為針對問題提供解決方案的技術(shù)服務(wù)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(jìn)精細(xì)化和輕量化設(shè)計方面的能力。

從知識體系本身的角度而言，當(dāng)前的應(yīng)用模式使知識體系的發(fā)展以強(qiáng)度技術(shù)為核心，缺乏面向型號研制全局的相應(yīng)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(qiáng)度專業(yè)在型號研制中的系統(tǒng)性參與，使強(qiáng)度技術(shù)難以在型號研制中充分發(fā)揮作用，這是當(dāng)前知識體系應(yīng)用模式的主要問題。

三、未來的應(yīng)用模式

造成當(dāng)前強(qiáng)度專業(yè)知識體系應(yīng)用模式的主要原因是彈箭體結(jié)構(gòu)研制流程以結(jié)構(gòu)幾何樣機(jī)為主線。這種研制流程以結(jié)構(gòu)幾何信息為結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的主要表現(xiàn)形式，并在型號研制的各個階段進(jìn)行流轉(zhuǎn)。因此，要提高強(qiáng)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(jié)構(gòu)幾何樣機(jī)為主線的特征。針對此，筆者提出一種新的彈箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，以結(jié)構(gòu)幾何樣機(jī)和結(jié)構(gòu)性能樣機(jī)的共同完善過程為主線，是強(qiáng)度專業(yè)知識體系的未來應(yīng)用模式。

1.結(jié)構(gòu)性能樣機(jī)

結(jié)構(gòu)性能樣機(jī)是根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，通過強(qiáng)度專業(yè)的理論計算和仿真得出結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的各種理論及仿真模型的實(shí)例合集。

圖2 當(dāng)前的強(qiáng)度專業(yè)知識體系應(yīng)用模式

性能樣機(jī)是結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、IT技術(shù)和知識管理技術(shù)相融合的產(chǎn)物，典型的結(jié)構(gòu)性能樣機(jī)與知識庫的關(guān)系如圖3所示。

結(jié)構(gòu)性能樣機(jī)是結(jié)構(gòu)設(shè)計工具庫中相關(guān)聯(lián)的設(shè)計工具應(yīng)用實(shí)例的有機(jī)組合，包含了輸入輸出參數(shù)和關(guān)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(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)、其它實(shí)例輸出結(jié)果或總體原始數(shù)據(jù)，其輸出參數(shù)為結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)或者中間數(shù)據(jù)。

2.一種新的彈箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

基于上述結(jié)構(gòu)性能樣機(jī)，筆者提出了一種新的彈箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，如圖4所示。與當(dāng)前的設(shè)計流程中以結(jié)構(gòu)幾何樣機(jī)為主線不同，新流程以包括幾何樣機(jī)和性能樣機(jī)的數(shù)字樣機(jī)完善程度為設(shè)計主線，其中幾何樣機(jī)指結(jié)構(gòu)數(shù)字化三維CAD模型，性能樣機(jī)則是結(jié)構(gòu)設(shè)計工具庫中相關(guān)聯(lián)設(shè)計工具應(yīng)用實(shí)例的有機(jī)組合，是證明結(jié)構(gòu)設(shè)計方案合理可行的理論可行解。

圖3 典型的結(jié)構(gòu)設(shè)計知識庫和結(jié)構(gòu)性能樣機(jī)組成與關(guān)系

基于結(jié)構(gòu)性能樣機(jī)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程就是結(jié)構(gòu)性能樣機(jī)的發(fā)展完善過程，也是強(qiáng)度專業(yè)知識體系的未來應(yīng)用模式。在該設(shè)計流程的預(yù)研、方案和初樣階段主要基于結(jié)構(gòu)設(shè)計知識庫進(jìn)行設(shè)計數(shù)字化設(shè)計，不僅設(shè)計幾何樣機(jī)，更重要的是設(shè)計、完善性能樣機(jī)，使其逐步完備，在初樣階段末期形成完備的結(jié)構(gòu)性能樣機(jī)，即形成產(chǎn)品的理論解，反映的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案滿足各項理論計算要求，通過數(shù)值仿真驗(yàn)證滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，吸取了以往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的物理實(shí)物生產(chǎn)和地面試驗(yàn)，將提升產(chǎn)品的性能指標(biāo)，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(shè)計成本。

基于結(jié)構(gòu)性能樣機(jī)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程也是結(jié)構(gòu)設(shè)計知識的創(chuàng)新、演進(jìn)發(fā)展過程。隨著結(jié)構(gòu)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(shù)攻關(guān)中形成新方法、新工具，這些都將作為知識庫的內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和完善，從而推進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計知識的創(chuàng)新、演進(jìn)和發(fā)展，不斷提升結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)的業(yè)務(wù)能力和技術(shù)水平，并間接推動提升未來產(chǎn)品的性能指標(biāo)。

基于結(jié)構(gòu)性能樣機(jī)的彈箭體結(jié)構(gòu)研制流程，以結(jié)構(gòu)幾何樣機(jī)和結(jié)構(gòu)性能樣機(jī)的共同完善過程為主線，區(qū)別于當(dāng)前以結(jié)構(gòu)幾何樣機(jī)為主線的研制流程的主要特征，將是強(qiáng)度專業(yè)知識體系的未來應(yīng)用模式。

圖4 新的彈箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

*其他作者：吳浩、田建東、張希、曾杜娟、楊帆