陳 鑫， 劉獻(xiàn)偉， 偏曉鵬

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471009）

武器裝備（如航天器、軍用飛機(jī)、戰(zhàn)斗車輛、艦艇、現(xiàn)代兵器等）的快速設(shè)計(jì)與制造一直是國(guó)家的重要發(fā)展規(guī)劃和重點(diǎn)內(nèi)容。隨著軍工產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，武器系統(tǒng)的技術(shù)含量和復(fù)雜程度在不斷增加，而產(chǎn)品的壽命周期日益縮短。因此，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)周期就成為軍工企業(yè)形成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要因素。在目前設(shè)計(jì)軟件CAD/CAE的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年積累的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)基于3D的，與物理樣機(jī)一樣的“數(shù)字樣機(jī)”，通過“數(shù)字樣機(jī)”進(jìn)行多方案評(píng)估和功能驗(yàn)證，已成為提升自主創(chuàng)新的重要手段[1]。

知識(shí)工程（Knowledge Engineering）的概念和技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代，它是以知識(shí)為處理對(duì)象，借用工程化的思想，研究如何用人工智能的原理、方法和技術(shù)來設(shè)計(jì)、構(gòu)造和維護(hù)知識(shí)系統(tǒng)的一門科學(xué)。KBE(Knowledge Based Engineering)，即基于知識(shí)的工程，是利用經(jīng)驗(yàn)、專家知識(shí)以及最終產(chǎn)品的每一階段有關(guān)的知識(shí)來進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種手段。KBE必須處理以下幾個(gè)問題：知識(shí)規(guī)則表達(dá)、知識(shí)規(guī)則應(yīng)用、知識(shí)規(guī)則擴(kuò)展、知識(shí)規(guī)則實(shí)施等。知識(shí)融合（Knowledge Fusion）是基于某種知識(shí)規(guī)則表達(dá)，對(duì)知識(shí)規(guī)則進(jìn)行擴(kuò)展和應(yīng)用。知識(shí)按其作用分為以下3種類型。

描述型知識(shí)：以描述的方式來表示的知識(shí)，包括事實(shí)知識(shí)和判斷知識(shí)；過程型知識(shí)：傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理將知識(shí)寓于程序中，即程序就代表著系統(tǒng)解決問題所使用的知識(shí)；元知識(shí)：可以衍生新知識(shí)的一種知識(shí)。

導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，（1）實(shí)現(xiàn)由粗到細(xì)的3D建模，實(shí)現(xiàn)了描述型知識(shí)；（2）將沒有特定規(guī)律，難以歸納的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，融合到設(shè)計(jì)過程中，實(shí)現(xiàn)了過程型知識(shí)；（3）允許對(duì)獨(dú)立參數(shù)化的3D模型進(jìn)行參數(shù)修改，可以衍生成多種模型，便于后期優(yōu)化和知識(shí)積累，實(shí)現(xiàn)了元知識(shí)的應(yīng)用。通過此設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建設(shè)，可以有效減少方案階段的物理試驗(yàn)次數(shù)，減少對(duì)物理樣機(jī)的依賴，達(dá)到快速設(shè)計(jì)和制造的可行性分析。同時(shí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)能為不同的研制階段提供不同粗細(xì)程度的模型，實(shí)現(xiàn)多層次的協(xié)同設(shè)計(jì)與優(yōu)化，能夠使設(shè)計(jì)人員脫離繁重、重復(fù)建模驗(yàn)證過程，將大量的精力放在性能參數(shù)的合理匹配和性能評(píng)估上。設(shè)計(jì)人員通過多個(gè)比較方案，減少結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，快速形成設(shè)計(jì)方案，從而保障了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了新產(chǎn)品的研制周期。

1 快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成

快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)已成熟的UG/CAD以及CAE基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展、開發(fā)予以實(shí)現(xiàn)。在此環(huán)境下，以VisMockUp可視化工具和 TeamCenter 產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)等為基礎(chǔ)，以UG/CAD為主要設(shè)計(jì)工具，以ADAMS、NASTRAN、FLUENT等為主要分析工具，進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 。設(shè)計(jì)系統(tǒng)由以下7個(gè)模塊組成。

（1） 管理模塊：主要功能是負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸入輸出功能的管理和用戶權(quán)限管理，是平臺(tái)的底層管理程序；

（2） 自動(dòng)式專家建模模塊：在專家設(shè)計(jì)向?qū)е敢驴焖偻瓿蓪?dǎo)彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模；

（3） 自導(dǎo)式獨(dú)立建模模塊：在獨(dú)立參數(shù)化設(shè)計(jì)向?qū)У闹敢峦瓿蓪?dǎo)彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模；

（4） 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模塊：實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)相關(guān)的特征計(jì)算和優(yōu)化分析等功能；

（5） 導(dǎo)彈模型數(shù)據(jù)庫(kù)：存儲(chǔ)實(shí)際應(yīng)用的導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字建模，便于自動(dòng)式專家建模的數(shù)據(jù)調(diào)用，并可隨時(shí)添加模型數(shù)據(jù)；

（6） 基礎(chǔ)特征數(shù)據(jù)庫(kù)：存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所涉及的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)三維數(shù)字模型，便于自導(dǎo)式獨(dú)立建模調(diào)用數(shù)據(jù)，并可隨時(shí)添加模型數(shù)據(jù)；

（7） 知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)：存儲(chǔ)以往導(dǎo)彈設(shè)計(jì)過程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及常用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，保證在設(shè)計(jì)過程中可以隨時(shí)查閱相關(guān)設(shè)計(jì)資料，且在重要的設(shè)計(jì)步驟設(shè)置了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)提示，避免設(shè)計(jì)中出現(xiàn)類似錯(cuò)誤。

2 快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作流程

快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

2.1 設(shè)計(jì)輸入

系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)輸入包括：導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)原始的任務(wù)要求，例如彈架接口、電氣接口、幾何尺寸、質(zhì)量特性、強(qiáng)度剛度特性以及彈身的氣動(dòng)外形要求、彈體的布局要求、氣動(dòng)載荷要求等。輸入主要在系統(tǒng)的人機(jī)交互界面下進(jìn)行。設(shè)計(jì)輸入界面如圖2所示。

2.2 設(shè)計(jì)建模

設(shè)計(jì)系統(tǒng)建?？梢酝ㄟ^自動(dòng)式專家建模和自導(dǎo)式獨(dú)立建模兩種方式完成，兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

（1） 自動(dòng)式專家建模。

自動(dòng)式專家建模是在專家設(shè)計(jì)向?qū)е敢驴焖偻瓿蓪?dǎo)彈的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模。它是依據(jù)設(shè)計(jì)輸入的數(shù)據(jù)與導(dǎo)彈模型數(shù)據(jù)庫(kù)中所存儲(chǔ)的以往實(shí)際導(dǎo)彈全彈模型即專家設(shè)計(jì)向?qū)В此{(lán)本），進(jìn)行公式換算，能夠迅速生成總體結(jié)構(gòu)模型，隨后可以單獨(dú)編輯某一特征參數(shù)，進(jìn)行細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終完成全彈總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模工作。藍(lán)本輸入界面如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Workflow schematic diagram of rapid design system

圖2 設(shè)計(jì)輸入界面Fig.2 Input interface of design

此種建模方法的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)計(jì)建模速度快，大大縮短了建模所耗費(fèi)的時(shí)間；模型具有獨(dú)立的可修改特征，可以通過對(duì)單個(gè)特征參數(shù)的修改來反映設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新思維；生成的總體結(jié)構(gòu)模型繼承了以往實(shí)際彈種的成功案例，為后期的實(shí)體驗(yàn)證提供了良好的保障，能夠在很大程度上增加結(jié)構(gòu)可靠性和適應(yīng)性。

圖3 藍(lán)本輸入界面Fig.3 Input interface of blueprint

由于數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)際導(dǎo)彈模型有限，其氣動(dòng)外形、彈體艙段布局方式等存在一定的約束，這樣就對(duì)設(shè)計(jì)建模的形式產(chǎn)生了一定的局限性，可能不能很好地反映設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)理念，這是此種建模形式所存在的缺陷。

（2） 自導(dǎo)式獨(dú)立建模。

自導(dǎo)式獨(dú)立建模是在獨(dú)立參數(shù)化設(shè)計(jì)向?qū)У闹敢峦瓿蓪?dǎo)彈的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模。它是在參數(shù)化設(shè)計(jì)向?qū)У闹敢?，調(diào)用基礎(chǔ)特征數(shù)據(jù)庫(kù)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行全彈各項(xiàng)結(jié)構(gòu)特征的詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括艙段、氣動(dòng)力面、分離面、整流罩、連接形式等，而在各種詳細(xì)結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)中，也可以調(diào)用實(shí)際導(dǎo)彈此種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型，按照設(shè)計(jì)向?qū)У闹敢罱K完成詳細(xì)設(shè)計(jì)模型。套接接頭和三角形舵面參數(shù)界面如圖4所示。

圖4 套接接頭和三角形舵面參數(shù)界面Fig.4 Parameter interface of connection and triangular rudder

此種建模方法的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)計(jì)模型中的氣動(dòng)外形、彈體艙段布局方式可選方式多樣，給予設(shè)計(jì)師充分的創(chuàng)新空間；模型參數(shù)詳細(xì)，可以在細(xì)節(jié)上能夠充分反映設(shè)計(jì)師的意圖。

此種建模方法耗時(shí)長(zhǎng)，要求設(shè)計(jì)師具有一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，避免長(zhǎng)時(shí)間的詳細(xì)設(shè)計(jì)后無法形成可實(shí)現(xiàn)的模型。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算

設(shè)計(jì)完成后，形成了全彈的總體結(jié)構(gòu)模型，對(duì)模型進(jìn)行各項(xiàng)分析，包括彈體的幾何特征、質(zhì)量特性、吊掛的疲勞特性、彈體的強(qiáng)度剛度特性等，并能夠按照給出的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行質(zhì)量最優(yōu)、幾何最優(yōu)等優(yōu)化分析，上述過程經(jīng)過反復(fù)迭代設(shè)計(jì)后，最終的設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)和任務(wù)輸入的要求一致。質(zhì)量特性分析如圖5所示。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)最終的輸出結(jié)果包括：彈體的布局設(shè)計(jì)、彈體各結(jié)構(gòu)特征的詳細(xì)設(shè)計(jì)、彈體的各項(xiàng)特性分析結(jié)果。設(shè)計(jì)所形成的一種新的模型狀態(tài)可以時(shí)時(shí)添加到導(dǎo)彈模型數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以進(jìn)一步豐富庫(kù)內(nèi)的模型案例。

3 軟件應(yīng)用實(shí)例

導(dǎo)彈任務(wù)要求輸入的信息為：彈長(zhǎng)（2240±3）mm，彈徑（127±1）mm，質(zhì)量（85±1.5）kg，質(zhì)心位置（1210±15）mm。

（1） 自動(dòng)式專家建模：使用專家設(shè)計(jì)向?qū)В瑢?duì)任務(wù)輸入進(jìn)行公式換算，迅速生成總體結(jié)構(gòu)模型，生成模型如圖6所示。

圖6 自動(dòng)式專家建模案例Fig.6 Automatic expert modeling case

（2） 自導(dǎo)式獨(dú)立建模：在獨(dú)立參數(shù)化設(shè)計(jì)向?qū)У闹敢峦瓿蓪?dǎo)彈的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模，其中艙段接頭布局及翼面設(shè)計(jì)建模如圖7所示，最終生成的模型如圖8所示。

（3） 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算：整彈靜態(tài)分析結(jié)果，包括整彈應(yīng)力、應(yīng)變和位移云圖如圖9所示。

圖7 艙段接頭和翼面布局Fig.7 Section joints and wing layout

圖8 自導(dǎo)式獨(dú)立建模案例Fig.8 Self-directed independent modeling case

4 結(jié)論

武器裝備的快速性設(shè)計(jì)和優(yōu)化是提升自主創(chuàng)新的重要手段。導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)將KBE的理念、現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和分析軟件、多年積累的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)這三者相互結(jié)合并進(jìn)行信息化處理，突出實(shí)體建模、綜合優(yōu)化、知識(shí)重用等特點(diǎn)，為設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)協(xié)調(diào)環(huán)境，可以在F階段用作任務(wù)分解、方案論證及方案設(shè)計(jì)的工具，亦可在C、S階段進(jìn)行彈體結(jié)構(gòu)特征的各項(xiàng)設(shè)計(jì)和校核、各種知識(shí)的學(xué)習(xí)、各類信息的管理等。

[1]ZHENG J Q. An intelligent master model of computeraided process planning for large complicated stampings[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2005，13(2)：103-112.