總體結構

導彈總體結構設計主模型技術的研究與實現

通過對傳統導彈總體結構設計過程的分析，研究並建立了導彈總體結構設計主模型。導彈總體結構設計主模型包括參數化模型，導彈總體結構控制模型，模型轉換接口，規則描述集。開發了基於主模型的導彈總體結構設計系統，創建了設計嚮導，並結合實例對上述理論和方法進行了有效性驗證。 ^[1] 

將型號總體結構設計任務書的要求、彈身氣動外形要求、彈身佈局要求、結構形式要求等作為設計輸入，完成彈體總體結構設計參數的分解，並完成彈體總體結構設計初步方案，計算其幾何特性和質量特性，檢查和設計輸入的相符性。完成彈體總體結構的初步佈局方案後，進行全彈結構的參數分解，繼而進行全彈各項結構特徵的詳細設計，包括頭翼、艙段、分離面、整流罩、連接形式等等。詳細設計完成後，形成全彈的總體結構模型，對模型進行各項分析，包括彈體的幾何特徵、質量特性、吊掛的疲勞特性、彈體的強度剛度特性等，並能夠按照給出的優化目標進行質量最優、幾何最優等優化分析。經過反覆迭代設計後，最終的設計結果應和任務輸入的要求一致，輸出結果包括：彈體的佈局設計、彈體各結構特徵的詳細設計、彈體的各項特性的分析結果。 ^[1] 

產品主模型包括與產品有關的幾何和非幾何信息，用來為產品全生命週期中產品開發的各個階段和各個應用提供服務。通過分析導彈的總體結構設計過程，結合產品主模型的概念，定義滿足多學科優化所需的動靜態信息結構，構成導彈總體結構設計的主模型。通過模型轉換接口的擴展，在一定的規則描述下為不同的應用視圖提供所需的模型，從而將主模型擴展為各應用視圖所需的模型。

導彈總體結構設計的主模型包括：參數化模型，導彈總體結構控制模型，模型轉換接口，規則描述集。 ^[1] 

導彈總體結構設計過程涉及的學科應用視圖有AD建模，CAE仿真以及相關功能程序模塊。各視圖通過導彈總體結構設計主模型聯繫，協同完成導彈總體結構設計的建模與分析。

CAD應用視圖主要功能是提供主模型的結構模型，完成幾何以及非幾何信息創建，如組件結構設計、特徵添加、材料特性添加。CAE應用視圖完成模型的有限元網格自動剖分，自動添加載荷與約束，並自動調用相關的有限元解算器完成對全彈、部件的靜力學分析、模態分析。程序計算包提供的程序有質量特性計算，幾何特性計算。質量特性計算完成對全彈總質量、質心的計算，並能自動計算各組件的質量與質心，還能完成全彈質量公差、質心公差的分配，完成轉動慣量與慣性矩的計算。幾何特性計算程序完成對全彈直線度偏差、扭轉偏差、同軸度偏差的分配。 ^[1] 

自行火炮總體結構參數靈敏度分析與優化

為了有效地降低某輪式自行火炮高低炮口擾動，對武器系統的總體結構參數優化進行了初步研究。建立了考慮炮身彈性變形、自動機主要構件的運動和碰撞等複雜因素的全炮動力學模型。根據某火炮的結構組成和發射原理 ,把武器系統簡化成由身管、供彈臂、彈丸、搖架、炮塔、底盤等24個物體組成的多體系統。 ^[2] 

總體參數優化的伴隨方程為火炮多體系統動力學模型，這是一組高維、強非線性的微分/代數混合方程，給基於火炮多體動力學模型進行總體結構參數的優化設計帶來了困難，而對設計變量進行靈敏度分析成為火炮多體系 統動力學分析與火炮總體結構參數優化的橋樑。利用靈敏度分析的伴隨變量方法對火炮總體結構參數進行靈敏度分析 ,根據這些參數對目標函數的依賴性(靈敏度)大小 ,最終確定火炮總體結構參數為設計變量，從而使火炮總體結構參量的優化匹配成為可能。 ^[2] 

傳統的機械優化主要是基於靜態問題的優化 ,目標函數可以寫成設計變量的顯式函數，約束條件為不等式或等式約束；而武器系統的總體結構參數優化則不同，其目標函數很難寫成設計變量的函數，除了要滿足約束條件外，還要滿足全炮發射動力學方程，而且每計算一次目標函數，就需要求解一次全炮動力學方程。因此，武器系統的總體結構參數優化與一般機械系統的優化有着本質的區別。根據武器系統總體結構參數優化的特點，顯然不能選取那些需要對目標函數求偏導/梯度運算的優化算法，這裏採用隨機方向搜索的優化算法。

優化前後以及較差的設計變量及目標函數取值可以看出，不同的火炮總體參量組合對底盤振動幅值影響較大，例如優化匹配後的底盤振動幅值僅為初始方案的59.2%。而當取另一組火炮總體參量(表中較差值)時，底盤振動幅值又增加到初始方案的1.89倍。因此，火炮總體結構參量的優化匹配是必要的。 ^[2]