梁 旗，何子路，曹 杰，楊 赟，朱 婧

(上海機(jī)電工程研究所，上海 201109)

0 引言

數(shù)字樣機(jī)起源于20世紀(jì)90年代，是一種用數(shù)字化模型代替實(shí)際物理樣機(jī)進(jìn)行仿真分析的技術(shù)。將實(shí)物通過(guò)數(shù)學(xué)仿真模型進(jìn)行替換，在數(shù)學(xué)模型上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的性能分析、參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作[1-2]。數(shù)字樣機(jī)因?qū)a(chǎn)品的各種屬性與功能數(shù)字化、參數(shù)化、模塊化，而具備貼近真實(shí)物理樣機(jī)特性、多學(xué)科交融耦合、可重構(gòu)以及能夠應(yīng)用于產(chǎn)品全壽命周期的特點(diǎn)。導(dǎo)彈由于內(nèi)部系統(tǒng)繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，在對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行各種功能驗(yàn)證試驗(yàn)以及環(huán)境適應(yīng)試驗(yàn)時(shí)需要花費(fèi)大量的時(shí)間精力以及人力物力。然而通過(guò)構(gòu)建導(dǎo)彈系統(tǒng)的數(shù)字樣機(jī)，評(píng)估在設(shè)計(jì)時(shí)是否考慮到功能的完善及適用性，當(dāng)產(chǎn)品狀態(tài)更改時(shí)是否容易修正[3]，可以快速模擬各種試驗(yàn)環(huán)境，大大降低各種研制成本。本文主要針對(duì)導(dǎo)彈的發(fā)展需求，總結(jié)將數(shù)字樣機(jī)應(yīng)用于導(dǎo)彈裝備的研究現(xiàn)狀以及數(shù)字樣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了將來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)，可為導(dǎo)彈設(shè)計(jì)生產(chǎn)數(shù)字化提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)字樣機(jī)概述

數(shù)字樣機(jī)是將物理產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)外形、裝配組合以及運(yùn)動(dòng)特性按照相似原理映射到計(jì)算機(jī)上的一種數(shù)字化描述[4]，如圖1所示。這種描述至少在某一方面將對(duì)象產(chǎn)品的特性進(jìn)行了反映[5]，保證基于數(shù)字樣機(jī)的仿真結(jié)果同物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一定程度上吻合，進(jìn)而可以通過(guò)數(shù)字仿真代替物理實(shí)物實(shí)驗(yàn)。數(shù)字樣機(jī)具有以下主要特點(diǎn)[6]：

圖1 數(shù)字樣機(jī)和物理樣機(jī)關(guān)系示意圖

1)真實(shí)性。數(shù)字樣機(jī)是因取代或精簡(jiǎn)物理樣機(jī)而存在的，所以數(shù)字樣機(jī)必須與物理樣機(jī)在結(jié)構(gòu)、功能、性能或其他特性上相當(dāng)或一致，使其能夠通過(guò)仿真的方式來(lái)模擬物理樣機(jī)的幾何外觀、物理特性以及行為特性。

2)參數(shù)化。實(shí)際上，數(shù)字樣機(jī)是通過(guò)物理樣機(jī)的各種參數(shù)將其映射到計(jì)算機(jī)中的。數(shù)字樣機(jī)的每一個(gè)參數(shù)均代表了物理樣機(jī)中一種實(shí)際的屬性。各種支持參數(shù)建模的軟件可以根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行可視化建模甚至定制化仿真。這些軟件通過(guò)內(nèi)嵌物理模型與優(yōu)化算法，以數(shù)字樣機(jī)參數(shù)作為輸入，能夠使用戶開(kāi)展參數(shù)化仿真或調(diào)試等設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)手段以達(dá)到預(yù)期要求。

3)模塊化。需要構(gòu)建數(shù)字樣機(jī)的產(chǎn)品通常具有復(fù)雜的內(nèi)部系統(tǒng)。此類系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)或功能可以劃分為不同的模塊，在分別構(gòu)建模塊的數(shù)字樣機(jī)后通過(guò)拼接或裝配等方式進(jìn)行組合可以得到整體的數(shù)字樣機(jī)。相鄰模塊之間具備接口，實(shí)現(xiàn)兩者結(jié)構(gòu)或功能上的連通。根據(jù)實(shí)際情況可以對(duì)接口的數(shù)量、功能與屬性進(jìn)行增減或替換，使其符合產(chǎn)品的實(shí)際情況。除了人機(jī)交互界面的可視化模塊外，軟件內(nèi)部封裝好的功能函數(shù)模塊也可以根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際功能按照邏輯關(guān)系進(jìn)行編程調(diào)用，從而使數(shù)字樣機(jī)從內(nèi)到外均能夠模擬產(chǎn)品的實(shí)際狀態(tài)。

4)面向產(chǎn)品全生命周期。數(shù)字樣機(jī)可以對(duì)產(chǎn)品的任一流程進(jìn)行模擬，并通過(guò)調(diào)整不同參數(shù)或應(yīng)用不同流程進(jìn)行仿真試驗(yàn)，以獲取產(chǎn)品在這一階段的狀態(tài)或評(píng)估其性能。

5)多學(xué)科交叉性。導(dǎo)彈裝備由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能繁多且應(yīng)用環(huán)境多樣，涉及大量關(guān)于力、熱、電等多種物理領(lǐng)域。而各種物理環(huán)境之間也存在著交叉耦合的影響效應(yīng)。在構(gòu)建數(shù)字樣機(jī)的過(guò)程中，必須考慮上述影響因素，才能模擬產(chǎn)品真實(shí)的運(yùn)行情況，進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真分析，滿足預(yù)設(shè)的指標(biāo)要求。

圖2 基于數(shù)字化樣機(jī)的雷達(dá)設(shè)計(jì)

6)可重構(gòu)性?？芍貥?gòu)性可以理解為對(duì)數(shù)字樣機(jī)模型參數(shù)的可變性。通過(guò)調(diào)整模型的結(jié)構(gòu)、屬性等參數(shù)，從而重置數(shù)字模型某些方面的性質(zhì)，稱為面向?qū)ο蟮目芍貥?gòu)性。通過(guò)對(duì)功能模塊進(jìn)行劃分、組合等方面的調(diào)整，使數(shù)字樣機(jī)產(chǎn)生功能上的改變，則稱為面向功能的可重構(gòu)性。在數(shù)字樣機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要不斷調(diào)整模型屬性與功能，使其能夠最大程度上滿足用戶需求。

用數(shù)字樣機(jī)代替物理原型樣機(jī)以進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能展示、性能仿真、測(cè)試和評(píng)估的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)被稱作數(shù)字樣機(jī)技術(shù)[7]。數(shù)字樣機(jī)的構(gòu)建與設(shè)計(jì)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)完成，體現(xiàn)出了綜合集成、快速靈活和協(xié)同合作的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員可以在數(shù)字樣機(jī)構(gòu)建過(guò)程的時(shí)期直觀地進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能測(cè)試、制造仿真和使用仿真[8]，驗(yàn)證實(shí)際的物理樣機(jī)能否達(dá)到預(yù)定的功能和性能，并以此為依據(jù)進(jìn)行反饋或重新調(diào)整樣機(jī)[9]。同時(shí)，全體設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)協(xié)議共享數(shù)字資源，避免設(shè)計(jì)失誤，減少實(shí)物試驗(yàn)，能夠有效降低人力成本和資金成本并提高產(chǎn)品質(zhì)量[10]。

2 武器裝備數(shù)字樣機(jī)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)起源于國(guó)外，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各專業(yè)領(lǐng)域，在導(dǎo)彈設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域當(dāng)中，數(shù)字樣機(jī)常用于各單機(jī)分系統(tǒng)當(dāng)中。導(dǎo)彈分系統(tǒng)主要包括導(dǎo)引頭、戰(zhàn)斗部、發(fā)動(dòng)機(jī)、舵機(jī)等部分。南京電子技術(shù)研究所的徐紅蓮等人建立了雷達(dá)數(shù)字樣機(jī)，如圖2所示，驗(yàn)證了應(yīng)用于復(fù)雜軍工電子裝備能力基線的技術(shù)可行性[12]。該所的張道富通過(guò)分析雷達(dá)的性能，提出了構(gòu)建雷達(dá)數(shù)字樣機(jī)的途徑[13]，從而為導(dǎo)彈導(dǎo)引頭內(nèi)的制導(dǎo)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)數(shù)字樣機(jī)構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

針對(duì)導(dǎo)引頭的設(shè)計(jì)，北京遙感設(shè)備研究所的張陽(yáng)總結(jié)了將數(shù)字虛擬樣機(jī)應(yīng)用于導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，并提出了將其工程化的方法[13]。西北工業(yè)大學(xué)的朱學(xué)平通過(guò)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一款紅外成像導(dǎo)引頭，并通過(guò)單一指標(biāo)測(cè)試、綜合性能試驗(yàn)驗(yàn)證了該導(dǎo)引頭的精度[15]。北京航空航天大學(xué)的岳奎志等人應(yīng)用CATIA軟件建立了空空導(dǎo)彈和空面導(dǎo)彈的三維數(shù)字樣機(jī)，如圖2(a)和圖2(b)所示。通過(guò)有限元方法，數(shù)值模擬出基于物理光學(xué)法和等效電磁流法的導(dǎo)彈RCS特性曲線[16]。上海機(jī)電工程研究所的劉廣等人使用數(shù)字樣機(jī)構(gòu)建了導(dǎo)彈雙模導(dǎo)引頭的模型，可將其應(yīng)用于動(dòng)態(tài)校核、參數(shù)優(yōu)化等一系列驗(yàn)證工序[17]。西安電子科技大學(xué)的李祉涵在紅外導(dǎo)引頭成像數(shù)字樣機(jī)仿真軟件中實(shí)現(xiàn)紅外導(dǎo)引頭視口下，導(dǎo)彈成像制導(dǎo)追擊目標(biāo)動(dòng)態(tài)過(guò)程的仿真，對(duì)研究激光干擾武器以及導(dǎo)彈抗干擾能力雙方提供了依據(jù)[18]。北京航天自動(dòng)控制研究所的邵學(xué)輝等人針對(duì)導(dǎo)引頭三框架隨動(dòng)系統(tǒng)，建立了隨動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械、控制元件、控制回路數(shù)學(xué)樣機(jī)模型，并分析了影響隨動(dòng)系統(tǒng)性能的誤差因素。按照模塊化設(shè)計(jì)思想，形成了通用的、參數(shù)可調(diào)的隨動(dòng)系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)，如圖3所示[19]。

圖3 三軸隨動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)體模型

引信是導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部中的重要器件，主要起到探測(cè)目標(biāo)與引爆的功能。南京理工大學(xué)的劉晨曦在設(shè)計(jì)激光引信時(shí)通過(guò)三維數(shù)字樣機(jī)建模獲取了引信三維幾何與表面材料模型，如圖4所示，并以此為依據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的編輯[20]。中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院的李合新以三維數(shù)字樣機(jī)為基礎(chǔ)，對(duì)戰(zhàn)斗部參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)引信的整個(gè)工作流程進(jìn)行了仿真[21]。西安電子科技大學(xué)的王震在研究大功率脈沖無(wú)線電引信時(shí)通過(guò)構(gòu)建數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證與參數(shù)優(yōu)化，從而研制了空空導(dǎo)彈引信實(shí)物樣機(jī)[22]。

圖4 激光引信數(shù)字樣機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)是為導(dǎo)彈提供飛行動(dòng)力的部分，由于內(nèi)部燃料燃燒而通常承受較大的載荷，因此在設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。華中科技大學(xué)的李祥琴在研究某導(dǎo)彈用單室雙推力固體發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)通過(guò)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)繪制了發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配圖，從而對(duì)內(nèi)部固體力學(xué)進(jìn)行分析[23]。南京理工大學(xué)的張震構(gòu)建了發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的數(shù)字樣機(jī)，通過(guò)有限元方法進(jìn)行了模態(tài)分析。另外，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏心對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射精度產(chǎn)生的影響同樣可以用數(shù)字樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行研究[24]。上海機(jī)電工程研究所的劉廣等人建立了發(fā)射筒與導(dǎo)彈的柔性體模型，用以分析艦船搖擺對(duì)導(dǎo)彈出筒姿態(tài)的影響，如圖5所示[25]。中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院的鐘洲等人則建立了車載導(dǎo)彈的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，探究發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏心造成的導(dǎo)彈發(fā)射初始擾動(dòng)[25]。

圖5 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型

電動(dòng)舵機(jī)是在導(dǎo)彈飛行過(guò)程中調(diào)整方向的構(gòu)件。在通常的設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)往往聚焦在數(shù)學(xué)模型與控制算法上。然而這些理論算法的效果需要通過(guò)物理樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，提高了設(shè)計(jì)時(shí)間與成本。復(fù)旦大學(xué)的劉廣針對(duì)舵系統(tǒng)研制過(guò)程中存在的展開(kāi)、鎖緊等操作過(guò)程中的技術(shù)難題，構(gòu)建了導(dǎo)彈舵系統(tǒng)數(shù)字虛擬樣機(jī)，并通過(guò)大量試驗(yàn)校正了該模型[27]。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的劉斷塵構(gòu)建了舵機(jī)折疊翼的數(shù)字樣機(jī)，對(duì)葉片薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化[28]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的范天祥將數(shù)字樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈伺服系統(tǒng)，對(duì)PID控制器與魯棒控制器進(jìn)行驗(yàn)證，使導(dǎo)彈能夠自適應(yīng)地校正其飛行姿態(tài)[29]。華中科技大學(xué)的譚輝桐所構(gòu)建的舵系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)包含了摩擦、阻尼、間隙等非線性環(huán)節(jié)，能夠?qū)Χ嫦到y(tǒng)真實(shí)工作情況進(jìn)行良好的反映，其模型如圖6所示[30]。

圖6 電動(dòng)舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

除此之外，隨著數(shù)字樣機(jī)大量應(yīng)用于導(dǎo)彈等武器裝備的研制流程，關(guān)于數(shù)字化環(huán)境下的管理方式也納入了研討范圍。南京電子技術(shù)研究所的劉昂等人針對(duì)數(shù)字化環(huán)境下雷達(dá)裝備量產(chǎn)質(zhì)量控制技術(shù)進(jìn)行了探討[31]；中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所的孫寧等人分析了軍工電子行業(yè)三維數(shù)字化技術(shù)現(xiàn)狀以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定情況，構(gòu)建了軍用電子裝備三維數(shù)字化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，為雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈等單機(jī)系統(tǒng)或功能模塊的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)[32]；裝備學(xué)院的劉國(guó)慶等人通過(guò)數(shù)字樣機(jī)等技術(shù)，提出了基于數(shù)字軍工的裝備質(zhì)量監(jiān)督模式[33]。

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)因可縮短研究時(shí)長(zhǎng)并有效降低研究成本，越來(lái)越被我國(guó)重要軍工領(lǐng)域所接受，為導(dǎo)彈產(chǎn)品的研發(fā)提供了新途徑，在今后的導(dǎo)彈裝備科研研發(fā)、生產(chǎn)與制造等方面將占據(jù)越來(lái)越重要的地位。

3 數(shù)字樣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)字樣機(jī)建模技術(shù)

數(shù)字模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)物理世界中事物或者現(xiàn)象的抽象化表達(dá)。模型的三維參數(shù)可以通過(guò)圖形的方式進(jìn)行可視化以展示其外觀與結(jié)構(gòu)，而其他的屬性參數(shù)也可以進(jìn)行賦值以定量描述其不可視的性質(zhì)。基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具的數(shù)字建模方法的出現(xiàn)，因其具備可以全面、準(zhǔn)確地描述產(chǎn)品全生命周期的特點(diǎn)，逐漸取代了通過(guò)模具建模的傳統(tǒng)建模方法。在計(jì)算機(jī)上根據(jù)原型樣機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸、功能性能等參數(shù)建立能夠映射實(shí)際情況的數(shù)字模型是構(gòu)建數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)。根據(jù)數(shù)字樣機(jī)的用途與分類可以將數(shù)字樣機(jī)的建模方法分為幾何建模、特征建模、知識(shí)建模等。在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)雜的原型樣機(jī)往往需要將其中幾種不同的建模方法聯(lián)合使用以滿足需求[34]。建模的準(zhǔn)確度與逼真程度直接影響數(shù)字樣機(jī)仿真的效果，從而關(guān)系到數(shù)字樣機(jī)是否能夠達(dá)到工程上對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造等行為的預(yù)期要求。由于數(shù)字模型構(gòu)建所需要的模塊往往具有通用性、可重構(gòu)性，可以通過(guò)相似的模板對(duì)模型進(jìn)行構(gòu)建，因此在建模時(shí)可以使用參數(shù)化、變量化的建模方法，即將原型樣機(jī)的各個(gè)特征抽象成參數(shù)進(jìn)行數(shù)字表示，并通過(guò)改變參數(shù)值來(lái)調(diào)整模型的結(jié)構(gòu)或狀態(tài)。根據(jù)所研究導(dǎo)彈產(chǎn)品的物理特性，產(chǎn)品相關(guān)的任何屬性，包括幾何尺寸、溫濕度、電磁特性、材料本征特性等均可以作為上述參數(shù)進(jìn)行賦值，具有靈活、多變且全面的特點(diǎn)。這種建模方法能夠顯著地提高建模的效率與準(zhǔn)確度，也可以作為中間模型通過(guò)有限元分析方法應(yīng)用于后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中。

3.2 數(shù)字樣機(jī)仿真技術(shù)

仿真技術(shù)是在計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)上結(jié)合控制理論、相似理論以及數(shù)值模擬方法的一門綜合性應(yīng)用技術(shù)[35]，可以基于構(gòu)建的數(shù)字模型根據(jù)導(dǎo)彈產(chǎn)品的各種物理特性動(dòng)態(tài)靈活地以一定規(guī)律分析真實(shí)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并具有相當(dāng)?shù)木_程度。仿真技術(shù)不僅可以模擬產(chǎn)品自身的狀態(tài)，檢測(cè)模態(tài)、應(yīng)力等結(jié)構(gòu)固有屬性，還可以模擬周圍環(huán)境對(duì)產(chǎn)品的影響乃至產(chǎn)品對(duì)周圍環(huán)境的影響，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，提高導(dǎo)彈產(chǎn)品的研發(fā)效率，縮短形成戰(zhàn)斗力的時(shí)間，在導(dǎo)彈工程研發(fā)當(dāng)中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。例如Fluent、MODTRAN、multisim等工程軟件可以針對(duì)產(chǎn)品的單一領(lǐng)域如流場(chǎng)、紅外輻射場(chǎng)以及電路等進(jìn)行仿真，分析或預(yù)測(cè)產(chǎn)品在某一特定物理場(chǎng)影響下的狀態(tài)。數(shù)字樣機(jī)仿真技術(shù)則是在模擬物理原型樣機(jī)的情況下，依靠仿真技術(shù)的特點(diǎn)，在多物理環(huán)境交叉耦合的背景下，將各方面因素對(duì)導(dǎo)彈產(chǎn)品的影響整合起來(lái)，充分考慮產(chǎn)品在這種背景下的變化。相比于分析單一物理場(chǎng)的作用，這種方式能夠更加全面地評(píng)估產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境下的工作狀態(tài)，并據(jù)此開(kāi)展優(yōu)化措施，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更具優(yōu)勢(shì)。ANSYS、ABAQUS、COMSOL Multiphysics等多物理場(chǎng)仿真軟件具備多樣的模型庫(kù)與強(qiáng)大的運(yùn)算功能，能夠通過(guò)可視化地建模調(diào)參，逼真地設(shè)置產(chǎn)品所處的物理場(chǎng)景，大大提升數(shù)字樣機(jī)模型的置信度。然而，多物理場(chǎng)仿真軟件強(qiáng)大的功能更需要專業(yè)的知識(shí)才能駕馭。在通過(guò)上述軟件進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合仿真時(shí)，需要具備相關(guān)的物理理論基礎(chǔ)、有限元與算法知識(shí)，才能構(gòu)建出合適的模型，任何一個(gè)不合理的參數(shù)設(shè)置或算法選擇都可能使仿真結(jié)果偏離實(shí)際甚至造成模型計(jì)算不收斂。

3.3 數(shù)據(jù)管理技術(shù)

在構(gòu)建數(shù)字樣機(jī)的過(guò)程中，除了能夠反映原型樣機(jī)物理狀態(tài)的數(shù)據(jù)外，導(dǎo)彈產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的裝配流程與建模順序等數(shù)據(jù)同樣需要保留。導(dǎo)彈產(chǎn)品的每一次迭代都會(huì)產(chǎn)生大量的流程數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中可以通過(guò)歷史樹(shù)實(shí)現(xiàn)。歷史樹(shù)保留的流程數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)結(jié)合納入數(shù)字樣機(jī)專門的數(shù)據(jù)生成管理系統(tǒng)。通過(guò)管理該系統(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)可以保證數(shù)據(jù)的一致性并開(kāi)放共享，有效提高了數(shù)字樣機(jī)的數(shù)據(jù)利用率，并能夠使所有設(shè)計(jì)人員一起監(jiān)督數(shù)字樣機(jī)數(shù)據(jù)，有效避免錯(cuò)誤的產(chǎn)生[36]。歷史數(shù)據(jù)的保留也可以在后續(xù)引入機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行人工智能優(yōu)化時(shí)提供樣本，補(bǔ)充導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中相對(duì)匱乏的數(shù)據(jù)素材，避免在機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程中生成過(guò)多無(wú)效數(shù)據(jù)，降低學(xué)習(xí)效率。

由于數(shù)字樣機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中可能涉及多款軟件系統(tǒng)，其輸出的數(shù)據(jù)格式存在差異，在互相導(dǎo)入導(dǎo)出數(shù)據(jù)時(shí)難免出現(xiàn)不兼容的情況，因此在管理數(shù)據(jù)時(shí)，需要做好各軟件系統(tǒng)的接口工作，使每一處節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均能夠快速轉(zhuǎn)化成下一接口能夠讀取的格式。這樣不僅可以大大提高數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)效率，在設(shè)計(jì)出錯(cuò)時(shí)也可以迅速獲取可用的中間數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試，從而快速定位錯(cuò)誤位置。除此之外，由于導(dǎo)彈數(shù)字樣機(jī)涵蓋了復(fù)雜的導(dǎo)彈系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)流程，其數(shù)據(jù)量十分巨大，在存儲(chǔ)與讀取時(shí)需占用大量的硬件資源且耗費(fèi)較長(zhǎng)的存取時(shí)間。因此，通過(guò)稀疏矩陣等方式對(duì)大量數(shù)字樣機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理也是在數(shù)據(jù)管理過(guò)程當(dāng)中需要考慮的地方。

3.4 可視化協(xié)同設(shè)計(jì)

由于數(shù)字樣機(jī)的構(gòu)建常常涉及到各個(gè)方向的研究人員共同的設(shè)計(jì)，在進(jìn)行諸如導(dǎo)彈之類復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)品的數(shù)字化時(shí)，數(shù)字樣機(jī)的規(guī)模會(huì)迅速增大，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求大大提高。為此，數(shù)字樣機(jī)支持通過(guò)可視化協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)復(fù)雜裝配進(jìn)行處理，以分布式結(jié)構(gòu)將不同地點(diǎn)的不同部件設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行協(xié)同表達(dá)、設(shè)計(jì)和分析[37]。

導(dǎo)彈是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，由若干分系統(tǒng)組成，分系統(tǒng)又由許多結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，而絕大多數(shù)零件都是實(shí)心零件。因此，在數(shù)字樣機(jī)建模、仿真過(guò)程中對(duì)導(dǎo)彈系統(tǒng)合理可視化提出了許多要求。在導(dǎo)彈整體設(shè)計(jì)時(shí)，需要顯示導(dǎo)彈的各個(gè)結(jié)構(gòu)裝配情況，監(jiān)督導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合理；在進(jìn)行物理場(chǎng)仿真時(shí)，有時(shí)需要考察實(shí)心結(jié)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力或溫度場(chǎng)，應(yīng)該對(duì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件內(nèi)部位置參數(shù)進(jìn)行顯示；導(dǎo)彈飛行過(guò)程中，可能需要考察蒙皮內(nèi)外的溫度場(chǎng)或電磁場(chǎng)，確保內(nèi)部系統(tǒng)能夠在高溫、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下能夠正常工作，應(yīng)該對(duì)蒙皮內(nèi)部相應(yīng)物理場(chǎng)分布進(jìn)行顯示。因此，數(shù)字樣機(jī)的可視化界面不僅需要具備常規(guī)的拖動(dòng)、放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等基本功能以外，還需要具有隱藏、透視、剖面、爆炸圖等功能，用以監(jiān)測(cè)受到遮擋的部件情況。針對(duì)物理場(chǎng)分布的可視化，通過(guò)在坐標(biāo)軸內(nèi)一維/二維/三維的截點(diǎn)、截線、截面并選取待監(jiān)測(cè)物理量的方式，可以獲取導(dǎo)彈內(nèi)外任意區(qū)域的數(shù)據(jù)。物理場(chǎng)分布圖與矢量分布圖能夠直觀地顯示物理場(chǎng)的強(qiáng)弱與方向。另外，進(jìn)行物理場(chǎng)動(dòng)態(tài)仿真與模態(tài)分析時(shí)還應(yīng)具備按時(shí)間或頻率截取的功能，顯示特定時(shí)間或頻率下的物理場(chǎng)分布。

3.5 虛擬儀器技術(shù)

除了三維建模與物理場(chǎng)仿真以外，數(shù)字化測(cè)試技術(shù)也是數(shù)字樣機(jī)的重要組成部分。數(shù)字化測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測(cè)試技術(shù)的軟件化、數(shù)字化，將眾多硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大且笨重、連線繁瑣的測(cè)試儀器的功能集成于軟件當(dāng)中并嵌入工控機(jī)載體之內(nèi)，大大增強(qiáng)了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性，滿足了測(cè)試系統(tǒng)小型化、輕量化的實(shí)際需求，在轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中搬運(yùn)便捷，十分適用于針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)需要測(cè)量眾多參數(shù)的場(chǎng)合。實(shí)際上，虛擬儀器作為測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)字樣機(jī)，可以憑借軟件內(nèi)集成的多種測(cè)試儀器模塊與信號(hào)處理模塊，通過(guò)編程的方式自定義測(cè)試流程，智能地對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行半自動(dòng)測(cè)試。虛擬儀器通過(guò)圖形語(yǔ)言、接口通信協(xié)議以及版本更新功能，為用戶提供了可以編制儀器面板、實(shí)現(xiàn)指令控制、結(jié)果顯示與數(shù)據(jù)分析處理的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，減少了對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試儀器維護(hù)、升級(jí)等工作。

圖7 分布式數(shù)字樣機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

虛擬儀器系提供了人機(jī)交互的軟件平臺(tái)，便于設(shè)計(jì)人員針對(duì)導(dǎo)彈的實(shí)際情況搭建合適的數(shù)字測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器主要分為數(shù)據(jù)層、處理層與應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層將待測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、調(diào)用與傳輸；處理層封裝了信號(hào)處理算法程序，在處理數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用相應(yīng)的模塊并輸出結(jié)果；應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，為操作者提供指令發(fā)送、儀器操作、結(jié)果顯示等功能的界面[38]。

4 導(dǎo)彈數(shù)字樣機(jī)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用展望

長(zhǎng)期以來(lái)，由于導(dǎo)彈系統(tǒng)集成度過(guò)高，結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，在對(duì)導(dǎo)彈產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)或校驗(yàn)過(guò)程中稍有不慎，就會(huì)導(dǎo)致成本高昂的導(dǎo)彈損壞甚至完全破壞。在新技術(shù)不完善的情況下，大多數(shù)院所往往采取謹(jǐn)慎小心的保守態(tài)度進(jìn)行管理與技術(shù)革新。然而，隨著數(shù)字樣機(jī)的技術(shù)發(fā)展，其在各民用領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)較為普遍，技術(shù)的成熟與經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步也使各科研院所逐漸在各分系統(tǒng)中引入了數(shù)字樣機(jī)技術(shù)。在導(dǎo)彈設(shè)計(jì)過(guò)程中，數(shù)字樣機(jī)可能將會(huì)有以下幾種發(fā)展趨勢(shì)。

4.1 從分布式設(shè)計(jì)發(fā)展為集中-分布式設(shè)計(jì)

在現(xiàn)行的導(dǎo)彈設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常將導(dǎo)彈拆分成各單機(jī)系統(tǒng)，由分系統(tǒng)研究科室分別構(gòu)建數(shù)字樣機(jī)，針對(duì)預(yù)定功能與性能指標(biāo)進(jìn)行分布式設(shè)計(jì)，之后形成物理樣機(jī)進(jìn)行拼接與聯(lián)合調(diào)試。這種方式從導(dǎo)彈底層同步構(gòu)建分系統(tǒng)的數(shù)字樣機(jī)，能夠提高設(shè)計(jì)效率，而同時(shí)也存在設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮本分系統(tǒng)，忽視了與其他分系統(tǒng)之間聯(lián)系的情況，導(dǎo)致在各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后發(fā)生聯(lián)調(diào)時(shí)彼此之間結(jié)構(gòu)、接口、協(xié)議等不符，仍需進(jìn)行各方面的調(diào)整，增加了許多不必要的工作。針對(duì)這一問(wèn)題，在各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前構(gòu)建集中式導(dǎo)彈整體數(shù)字樣機(jī)，能夠根據(jù)整體要求規(guī)范各分系統(tǒng)，避免各研究科室各自為戰(zhàn)，起到提綱挈領(lǐng)的效果，如圖4所示。然而，各分系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能時(shí)可能互相存在影響與耦合，在構(gòu)建整體數(shù)字樣機(jī)時(shí)要予以充分考慮，才能避免總體設(shè)計(jì)時(shí)反而約束各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的反作用。

4.2 從自由化設(shè)計(jì)發(fā)展為規(guī)范化設(shè)計(jì)

由于不同導(dǎo)彈型號(hào)對(duì)各分系統(tǒng)的功能要求不同，所以各導(dǎo)彈分系統(tǒng)大多數(shù)都是根據(jù)型號(hào)實(shí)際要求對(duì)數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。盡管這種自由化設(shè)計(jì)具備靈活多變可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，但由于各單位以及設(shè)計(jì)人員水平良莠不齊，導(dǎo)致某些情況下設(shè)計(jì)出的數(shù)字樣機(jī)不僅沒(méi)有達(dá)到模擬或代替物理樣機(jī)的效果，甚至由于其設(shè)計(jì)不合理而使對(duì)其進(jìn)行的各種調(diào)參與試驗(yàn)均不具備參考價(jià)值，使得按該數(shù)字樣機(jī)構(gòu)建出的物理樣機(jī)無(wú)法達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。因此，將數(shù)字樣機(jī)應(yīng)用于各種產(chǎn)品產(chǎn)線的技術(shù)規(guī)范已受到越來(lái)越多的關(guān)注[39-40]，針對(duì)各分系統(tǒng)的數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)范隨著武器裝備數(shù)字化轉(zhuǎn)型的進(jìn)行而不斷提出。在規(guī)范化設(shè)計(jì)的框架下，設(shè)計(jì)人員將通過(guò)相對(duì)固定的流程對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的導(dǎo)彈數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行自適應(yīng)修改，這樣既可以保證數(shù)字樣機(jī)模型的相對(duì)正確性，又可以最大限度地保留設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)自主權(quán)。

4.3 從數(shù)字樣機(jī)技術(shù)發(fā)展為數(shù)字孿生技術(shù)

除了在實(shí)際應(yīng)用上的推廣外，在數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，派生出了數(shù)字孿生技術(shù)的概念。數(shù)字孿生技術(shù)是指在數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上還能夠通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力，是一種充分融合多學(xué)科以集成數(shù)據(jù)構(gòu)建模型的智能化技術(shù)[41]。數(shù)字孿生技術(shù)除了具有數(shù)字樣機(jī)模擬產(chǎn)品實(shí)體并進(jìn)行優(yōu)化的作用外，隨著計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)、測(cè)試等技術(shù)的發(fā)展，更加優(yōu)化了數(shù)字樣機(jī)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)模型，甚至在與產(chǎn)品實(shí)體關(guān)聯(lián)后可以與其交互、共生，從而對(duì)產(chǎn)品的調(diào)試、升級(jí)提供了保障。

由于數(shù)字孿生技術(shù)是在數(shù)字樣機(jī)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，因而其相較于數(shù)字樣機(jī)技術(shù)具有更加全面而廣泛的應(yīng)用范圍。兩者的關(guān)系就涉及范圍來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生已經(jīng)基本涵蓋了數(shù)字樣機(jī)。通過(guò)這一技術(shù)上的更新迭代，將會(huì)迅速促進(jìn)導(dǎo)彈裝備仿真以及生產(chǎn)制造領(lǐng)域的發(fā)展。可以預(yù)見(jiàn)，在不久的未來(lái)導(dǎo)彈數(shù)字樣機(jī)將在在很大程度上會(huì)被基于數(shù)字孿生技術(shù)的開(kāi)發(fā)技術(shù)所取代。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著導(dǎo)彈裝備的功能多樣化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、模塊集成化趨勢(shì)，對(duì)于低經(jīng)濟(jì)成本、低時(shí)間成本和低人力成本的需求不斷提高。數(shù)字樣機(jī)技術(shù)依靠其優(yōu)點(diǎn)取代物理樣機(jī)的試驗(yàn)調(diào)試步驟，可以快速準(zhǔn)確地在裝備設(shè)計(jì)、研制、調(diào)試等各關(guān)鍵步驟發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。通過(guò)數(shù)字樣機(jī)構(gòu)建并完善好的模型開(kāi)發(fā)制作出來(lái)后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)整后即可快速投入生產(chǎn)或使用，符合導(dǎo)彈裝備發(fā)展要求，對(duì)推動(dòng)國(guó)防建設(shè)數(shù)字化具有重要意義。