王慶偉

（北京空天技術(shù)研究所，北京，100074）

研究與探討

結(jié)構(gòu)專業(yè)推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化工作探討*

王慶偉

（北京空天技術(shù)研究所，北京，100074）

文摘：立足于推動(dòng)高馬赫數(shù)飛行器標(biāo)準(zhǔn)化工作開(kāi)展，在簡(jiǎn)述飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)中的主要環(huán)節(jié)與保障條件。

飛行器結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。

隨著高馬赫數(shù)飛行器的出現(xiàn)，飛行器設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)生了很大變化，身處嚴(yán)酷的氣動(dòng)熱/力環(huán)境，使得飛行器設(shè)計(jì)不同于以往的飛機(jī)和導(dǎo)彈，它的產(chǎn)品定位、模型建立和生產(chǎn)關(guān)系都發(fā)生了改變。大量新技術(shù)的應(yīng)用，使得高馬赫數(shù)飛行器的設(shè)計(jì)制造已經(jīng)不能由一個(gè)單位來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要結(jié)合全國(guó)多家先進(jìn)設(shè)計(jì)制造單位來(lái)共同完成。面對(duì)更加復(fù)雜的設(shè)計(jì)制造體系，需要從系統(tǒng)層面對(duì)高馬赫數(shù)飛行器研發(fā)進(jìn)行規(guī)劃和控制，綜合考慮各部門協(xié)作關(guān)系，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)作。

標(biāo)準(zhǔn)化能夠避免浪費(fèi)、規(guī)范員工工作行為、提高工作效率?；谶@一目的發(fā)起協(xié)商活動(dòng)，將那些能夠提高效率和質(zhì)量的規(guī)定制定為標(biāo)準(zhǔn)，使參與的人員共同遵守這一商定的標(biāo)準(zhǔn)[1]。標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍可能會(huì)隨著技術(shù)發(fā)展、通過(guò)實(shí)踐后逐步擴(kuò)大，但標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施并不是適用于所有領(lǐng)域的，如在某些需要?jiǎng)?chuàng)新的領(lǐng)域尤其是研發(fā)領(lǐng)域，某些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施會(huì)限制研發(fā)人員工作的積極性、主動(dòng)性和靈活性，使其缺乏想像力與創(chuàng)新能力。對(duì)于未來(lái)飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要面臨創(chuàng)新性研究如何與高效的標(biāo)準(zhǔn)化工作相銜接和相互促進(jìn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指：依據(jù)輸入條件和性能要求，完成可實(shí)現(xiàn)的模型設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是飛行器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是連接總體方案設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制備的樞紐。

對(duì)于飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)輸入一般主要包含外形、載荷環(huán)境（力、熱、振動(dòng)等）和結(jié)構(gòu)響應(yīng)要求（重量、重心、變形、固有頻率等），具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為滿足上述所有要求的輸出，而設(shè)計(jì)過(guò)程為基本原理（力學(xué)、熱學(xué)、動(dòng)力學(xué)等）的合理運(yùn)用。但是，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，基本是先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出某結(jié)構(gòu)型式和工藝方案，進(jìn)而完成初步設(shè)計(jì)，然后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核。如此迭代多輪完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更多的是一種“經(jīng)驗(yàn)式”被動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。這種自下而上的校核式設(shè)計(jì)，往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的有效利用率低、減重空間小等問(wèn)題，更是影響了高馬赫數(shù)飛行器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

隨著低馬赫數(shù)飛行器到高馬赫數(shù)飛行器的快速發(fā)展，整個(gè)飛行器系統(tǒng)對(duì)于結(jié)構(gòu)質(zhì)量比的要求越來(lái)越高，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。高馬赫數(shù)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)方面：一是機(jī)身承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；二是熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

針對(duì)機(jī)身承載結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員正在探索研究一種新的基于飛行器總體層面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。其基本思想是：①基于三維結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化等設(shè)計(jì)方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化技術(shù)完成基于載荷和指標(biāo)要求的飛行器結(jié)構(gòu)傳力路線設(shè)計(jì)；②基于計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化出來(lái)的飛行器結(jié)構(gòu)密度分布，設(shè)計(jì)者可以直接選用傳統(tǒng)的蒙皮、筋和梁等具體特征，或者研究開(kāi)發(fā)出新的細(xì)化結(jié)構(gòu)型式，例如點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；③結(jié)合工藝開(kāi)展具體的飛行器設(shè)計(jì)生產(chǎn)。

高馬赫數(shù)飛行器身處嚴(yán)酷的氣動(dòng)熱/力載荷環(huán)境，目前主要采用冷結(jié)構(gòu)+大面積外防熱的結(jié)構(gòu)型式來(lái)滿足應(yīng)用需求。由于熱防護(hù)結(jié)構(gòu)面臨著嚴(yán)酷的熱/力學(xué)載荷條件，實(shí)現(xiàn)防護(hù)的技術(shù)難度大，技術(shù)探索性強(qiáng)。因此，需要大力開(kāi)展熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作，明確熱防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)的相關(guān)規(guī)范。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化不是簡(jiǎn)單認(rèn)為的產(chǎn)品參數(shù)或者是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，其不僅包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，而且還應(yīng)當(dāng)包括管理標(biāo)準(zhǔn)化和工作標(biāo)準(zhǔn)化，如一套管理體系或者一種操作方法的實(shí)施，都可以稱為標(biāo)準(zhǔn)化。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化工作方式如圖1所示。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程為：接到任務(wù)后，開(kāi)展方案設(shè)計(jì)與方案評(píng)審，然后提交任務(wù)進(jìn)行生產(chǎn)加工。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中伴隨著有效地監(jiān)督執(zhí)行機(jī)制與支撐保障條件（設(shè)計(jì)指導(dǎo)文件、數(shù)據(jù)庫(kù)等）。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化工作方式

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段是飛行器研制開(kāi)發(fā)的重要階段，對(duì)后續(xù)各環(huán)節(jié)工作影響重大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化主要作用：①實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量；②全面推進(jìn)型號(hào)研制“三化”工作；③降低設(shè)計(jì)和制造成本、簡(jiǎn)化工作難度等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)有以下幾方面工作內(nèi)容。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)化

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行參數(shù)化建模，可以簡(jiǎn)化構(gòu)件與構(gòu)件之間的連接關(guān)系，并可為設(shè)計(jì)組合創(chuàng)造更多方式。在進(jìn)行多方案對(duì)比和型號(hào)改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，參數(shù)化建模可以提高工作效率，減少設(shè)計(jì)成本，方便后續(xù)細(xì)化研究。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)化表現(xiàn)在：①盡量采用二維結(jié)構(gòu)構(gòu)件，采用二維構(gòu)件組合成簡(jiǎn)單的三維構(gòu)件；②設(shè)計(jì)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)梁、橫框模型；③選用形狀相同、寬度相近的蒙皮構(gòu)件，盡量設(shè)計(jì)統(tǒng)一的口蓋大??；④合理設(shè)計(jì)接頭構(gòu)件可減少構(gòu)件種類。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)需要對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化分類，大模塊包括機(jī)身、機(jī)翼、舵面結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)等；小模塊包括加強(qiáng)筋、橫框和口蓋設(shè)計(jì)等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，宜選擇大模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用大模塊可以從總體層面對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，確定飛行器主承力結(jié)構(gòu)，完成對(duì)飛行器小模塊的分解，便于進(jìn)一步細(xì)化研究；對(duì)于分解出來(lái)的飛行器小模塊（加強(qiáng)筋和橫梁等），可以在保持接頭不變的條件下，在結(jié)構(gòu)大小和型式上作任何需要的精細(xì)化設(shè)計(jì)。

2.3 預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件

對(duì)于夾層板、梁和框構(gòu)件均屬于結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件，在滿足受力安全的狀況下，應(yīng)盡量統(tǒng)一截面尺寸；結(jié)構(gòu)布置時(shí)應(yīng)盡量均勻，相近跨度的梁、框截面設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)一，并盡量減少次梁和框的數(shù)量?；诖朔N結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以提前批量預(yù)制好夾層板、梁和框等結(jié)構(gòu)件，以減少生產(chǎn)成本和周期。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精細(xì)化

如果僅僅依據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)文件和已有型號(hào)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在一定程度上容易產(chǎn)生惰性思維，限制工藝水平提升，進(jìn)而限制研究人員的設(shè)計(jì)思路，這對(duì)于外形變化較大的高馬赫數(shù)飛行器的研制開(kāi)發(fā)是很不利的。應(yīng)該將每個(gè)構(gòu)件、部件的設(shè)計(jì)做到與工藝的有機(jī)結(jié)合；對(duì)設(shè)計(jì)原理和尺寸形狀進(jìn)行仔細(xì)推敲、對(duì)比，并對(duì)初定的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行試生產(chǎn)檢驗(yàn)，確保設(shè)計(jì)通過(guò)工廠制造可以實(shí)現(xiàn)；在整體組合時(shí)，要考慮適度的變化，盡量通過(guò)各種部件的變化組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)最終成果的多樣化。高馬赫數(shù)飛行器的異形構(gòu)件使用越來(lái)越多，結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)越來(lái)越重要，構(gòu)件的精細(xì)化設(shè)計(jì)是對(duì)設(shè)計(jì)指導(dǎo)文件更新?lián)Q代的重要手段。

2.5 外防熱層模塊化設(shè)計(jì)

外防熱層模塊化設(shè)計(jì)生產(chǎn)是現(xiàn)階段普遍應(yīng)用的一種方式，預(yù)制外防熱層可以減少加工生產(chǎn)周期，利于檢查和維修。外防熱層的研制開(kāi)發(fā)，從原材料選擇、加工工藝、連接方式、試驗(yàn)技術(shù)、密封技術(shù)等，正經(jīng)歷著從無(wú)到有，以及標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。基本杜絕了傳統(tǒng)的根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果反復(fù)鋪設(shè)隔熱氈等燒蝕材料的試錯(cuò)方法。

3 標(biāo)準(zhǔn)化工作保障條件

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化工作方式與方法的建立，對(duì)于提高設(shè)計(jì)工作效率具有重要意義。然而，未來(lái)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要同時(shí)具備兩個(gè)特點(diǎn)：創(chuàng)新性研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)化，這對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)提出了更高的要求。建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化需要必要的保障條件包括：完善的信息化管理系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)化操作文件、標(biāo)準(zhǔn)化模型數(shù)據(jù)庫(kù)、人員培訓(xùn)以及監(jiān)督管理體系等。

a）為了便于標(biāo)準(zhǔn)化流程化管理，需要建立信息化管理系統(tǒng)，包括任務(wù)發(fā)布、項(xiàng)目要求、輸入條件、完成形式、完成時(shí)間、設(shè)計(jì)人員以及審核人員等，需要在系統(tǒng)上明確列出，以便于統(tǒng)籌管理。

b）將設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)進(jìn)行電子信息化管理，以便于設(shè)計(jì)人員使用，這也方便審核人員對(duì)設(shè)計(jì)人員的工作進(jìn)行檢查。建立規(guī)范、系統(tǒng)的操作文件，完善各種操作規(guī)程，以減少各種不規(guī)范的操作行為，提高工作質(zhì)量。只有建立并實(shí)施系統(tǒng)、規(guī)范、完善的各種規(guī)程和文件，才能有效實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)管理規(guī)范化、設(shè)計(jì)流程條理化，按照相同規(guī)程和文件開(kāi)展工作，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化提供保障。各種規(guī)范、流程的制定，一定要以方便技術(shù)人員工作為前提，最好讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域資深人員參與進(jìn)來(lái)，不能讓管理人員越俎代庖。保障條件是為技術(shù)人員服務(wù)的，方便技術(shù)人員更好地開(kāi)展工作。

c）從材料層面、加工工藝、結(jié)構(gòu)化模塊和標(biāo)準(zhǔn)化的仿真分析方法等全方位建立標(biāo)準(zhǔn)化模型數(shù)據(jù)庫(kù)。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)建立的工作量巨大，國(guó)外飛機(jī)廠商經(jīng)過(guò)幾十年的生產(chǎn)研究都建立了自己的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)，而我國(guó)還處于起步階段，需要大量的積累性工作。同時(shí)，在高馬赫數(shù)飛行器領(lǐng)域與國(guó)外企業(yè)開(kāi)展競(jìng)爭(zhēng)，大量新材料、新結(jié)構(gòu)型式、新設(shè)計(jì)方法紛紛出現(xiàn)，進(jìn)一步加大了建立標(biāo)準(zhǔn)化信息庫(kù)的難度。這些都需要大量相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)支持。

d）做好人員培訓(xùn)，提高基層崗位人員技能與責(zé)任心。有了規(guī)范的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)指導(dǎo)文件，剩下的就是依靠設(shè)計(jì)人員按流程開(kāi)展設(shè)計(jì)研究工作。有了標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)成果不會(huì)因?yàn)槿藛T的差異而有很大差別，可以有效地減少設(shè)計(jì)缺陷，便于其他人員檢查，并可以隨時(shí)換人接手工作，不會(huì)對(duì)任務(wù)的工期造成明顯影響。制定標(biāo)準(zhǔn)化流程的同時(shí)，需要對(duì)上崗人員進(jìn)行相關(guān)技能培訓(xùn)，并加強(qiáng)責(zé)任心教育，重點(diǎn)明確每個(gè)人員在該項(xiàng)工作中的責(zé)任，做到設(shè)計(jì)過(guò)程中每個(gè)環(huán)節(jié)都有明確的責(zé)任人，便于總體協(xié)調(diào)管理。

e）建立健全管理制度體系，搭建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)監(jiān)督體系。為使設(shè)計(jì)人員按照設(shè)計(jì)流程規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要有相應(yīng)的管理體系作為配套，減少非技術(shù)原因影響設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展。同時(shí)，建設(shè)完善的設(shè)計(jì)過(guò)程監(jiān)督體系，這個(gè)體系要能方便監(jiān)督人員隨時(shí)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的進(jìn)度和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提醒相關(guān)設(shè)計(jì)責(zé)任人進(jìn)行解決。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作標(biāo)準(zhǔn)化是大勢(shì)所趨，如果沒(méi)有一個(gè)規(guī)范的流程來(lái)指導(dǎo)，則必然會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員各行其是，這樣不僅容易產(chǎn)生疏忽，導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)計(jì)缺陷，而且會(huì)降低工作效率。因此，需要建立一套完善、有效、而且易于操作和執(zhí)行的設(shè)計(jì)流程，來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員按步驟、循規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。要建立一個(gè)切實(shí)可用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化體系，不是某個(gè)單位或某個(gè)體系可以獨(dú)立完成的，需要全行業(yè)共同努力并長(zhǎng)期積累才能實(shí)現(xiàn)。我們期待更多的同仁參與總結(jié)、共享經(jīng)驗(yàn)，也希望結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行業(yè)組織開(kāi)展專題研究，編制標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)，以促進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)健康、快速發(fā)展。

[1]王平.國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化理論研究及對(duì)比分析報(bào)告[J]，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2012（5）.

王慶偉（1983年—），男，博士，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力技術(shù)研究室，工程師，專業(yè)方向：飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究。

*本文源于國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：晶粒尺寸層狀分布NiAl板材設(shè)計(jì)制備與力學(xué)行為研究（51541110）。