[科普中国]-总体结构

总体结构即由若干个体组成，根据研究目的而确定同质观察单位的整体的各部分的搭配和安排。如房屋、船体、导弹、火炮、建筑物等构造。

总体结构示例导弹总体结构设计主模型技术的研究与实现通过对传统导弹总体结构设计过程的分析，研究并建立了导弹总体结构设计主模型。导弹总体结构设计主模型包括参数化模型，导弹总体结构控制模型，模型转换接口，规则描述集。开发了基于主模型的导弹总体结构设计系统，创建了设计向导，并结合实例对上述理论和方法进行了有效性验证。1

弹总体结构设计过程分析

将型号总体结构设计任务书的要求、弹身气动外形要求、弹身布局要求、结构形式要求等作为设计输入，完成弹体总体结构设计参数的分解，并完成弹体总体结构设计初步方案，计算其几何特性和质量特性，检查和设计输入的相符性。完成弹体总体结构的初步布局方案后，进行全弹结构的参数分解，继而进行全弹各项结构特征的详细设计，包括头翼、舱段、分离面、整流罩、连接形式等等。详细设计完成后，形成全弹的总体结构模型，对模型进行各项分析，包括弹体的几何特征、质量特性、吊挂的疲劳特性、弹体的强度刚度特性等，并能够按照给出的优化目标进行质量最优、几何最优等优化分析。经过反复迭代设计后，最终的设计结果应和任务输入的要求一致，输出结果包括：弹体的布局设计、弹体各结构特征的详细设计、弹体的各项特性的分析结果。1

导弹总体结构设计主模型

产品主模型包括与产品有关的几何和非几何信息，用来为产品全生命周期中产品开发的各个阶段和各个应用提供服务。通过分析导弹的总体结构设计过程，结合产品主模型的概念，定义满足多学科优化所需的动静态信息结构，构成导弹总体结构设计的主模型。通过模型转换接口的扩展，在一定的规则描述下为不同的应用视图提供所需的模型，从而将主模型扩展为各应用视图所需的模型。

导弹总体结构设计的主模型包括：参数化模型，导弹总体结构控制模型，模型转换接口，规则描述集。1

导弹总体结构设计应用视图

导弹总体结构设计过程涉及的学科应用视图有AD建模，CAE仿真以及相关功能程序模块。各视图通过导弹总体结构设计主模型联系，协同完成导弹总体结构设计的建模与分析。

CAD应用视图主要功能是提供主模型的结构模型，完成几何以及非几何信息创建，如组件结构设计、特征添加、材料特性添加。CAE应用视图完成模型的有限元网格自动剖分，自动添加载荷与约束，并自动调用相关的有限元解算器完成对全弹、部件的静力学分析、模态分析。程序计算包提供的程序有质量特性计算，几何特性计算。质量特性计算完成对全弹总质量、质心的计算，并能自动计算各组件的质量与质心，还能完成全弹质量公差、质心公差的分配，完成转动惯量与惯性矩的计算。几何特性计算程序完成对全弹直线度偏差、扭转偏差、同轴度偏差的分配。1

自行火炮总体结构参数灵敏度分析与优化为了有效地降低某轮式自行火炮高低炮口扰动，对武器系统的总体结构参数优化进行了初步研究。建立了考虑炮身弹性变形、自动机主要构件的运动和碰撞等复杂因素的全炮动力学模型。根据某火炮的结构组成和发射原理 ,把武器系统简化成由身管、供弹臂、弹丸、摇架、炮塔、底盘等24个物体组成的多体系统。2

总体结构参数灵敏度分析

总体参数优化的伴随方程为火炮多体系统动力学模型，这是一组高维、强非线性的微分/代数混合方程，给基于火炮多体动力学模型进行总体结构参数的优化设计带来了困难，而对设计变量进行灵敏度分析成为火炮多体系 统动力学分析与火炮总体结构参数优化的桥梁。利用灵敏度分析的伴随变量方法对火炮总体结构参数进行灵敏度分析 ,根据这些参数对目标函数的依赖性(灵敏度)大小 ,最终确定火炮总体结构参数为设计变量，从而使火炮总体结构参量的优化匹配成为可能。2

总体结构参数优化

传统的机械优化主要是基于静态问题的优化 ,目标函数可以写成设计变量的显式函数，约束条件为不等式或等式约束；而武器系统的总体结构参数优化则不同，其目标函数很难写成设计变量的函数，除了要满足约束条件外，还要满足全炮发射动力学方程，而且每计算一次目标函数，就需要求解一次全炮动力学方程。因此，武器系统的总体结构参数优化与一般机械系统的优化有着本质的区别。根据武器系统总体结构参数优化的特点，显然不能选取那些需要对目标函数求偏导/梯度运算的优化算法，这里采用随机方向搜索的优化算法。

优化前后以及较差的设计变量及目标函数取值可以看出，不同的火炮总体参量组合对底盘振动幅值影响较大，例如优化匹配后的底盘振动幅值仅为初始方案的59.2%。而当取另一组火炮总体参量(表中较差值)时，底盘振动幅值又增加到初始方案的1.89倍。因此，火炮总体结构参量的优化匹配是必要的。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所