优化设计在导弹结构设计中的应用

1 引言
    结构优化设计就是对各种工程结构设计问题，如重要结构参数的选择、参数匹配、结构校核等，充分利用现代数学、物理、力学以及计算方法的最新成就，寻求最佳设计的一种理论与方法。  导弹弹体是导弹武器系统的重要安全部件，承受冲击、气动等各种载荷，承担着导引头、陀螺、战斗部、发动机、舵机等部件，其中不仅包括对振动、冲击敏感的元件，而且包含火工品，所以，其结构设计必须可靠。以往主要采用静强度设计方法设计，但随着导弹性能要求不断提高，传统的设计方法已不能满足需要。导弹弹体结构在满足可靠性要求的基础上，如何减轻质量，已是需要解决的重要问题之一。
    结构优化设计包含拓扑优化、几何优化 (形状和位置)、尺寸优化等方面的内容。它既体现了该领域问题由浅入深的发展过程，同时，又反映出设计者对问题理解认识的不断深入。结构优化经历 40多年的研究与发展，目前，尺寸优化和几何优化技术已经比较成熟，在航空、航天、汽车等一些工业领域取得了成功的应用。而拓扑优化仍然处在发展的初期，在应用方面相对来说还比较少，但已经成为结构优化领域近年来的研究热点之一，最佳结构拓扑在结构优化设计中占有非常重要的地位。通过在导弹结构设计中，集成采用数字化设计、拓扑优化、形状优化和尺寸优化技术，对导弹结构进行了一系列优化研究，并建立了弹体结构的数字化设计、优化流程。实践研究表明，该设计平台方法和优化流程可以有效保证导弹结构优化设计的效率和质量。
2 传统战术导弹结构设计流程及其存在问题
2.1 传统战术导弹结构设计流程

    传统结构设计中，包括航天器、飞机、导弹等结设计模型构设计，其结构设计技术的发展主要走以试验验证为分析人员FEM分析主的路径。经典的结构设计方法将动态载荷化为静载、以静态设计为主，以试验验证为主要依据，通过设计、校核、再修改这样一个不断反复的设计过程（如图 1）。很显然这已经不能满足现代技术发展的需要。为了不断地满足提高导弹性能的要求，在保证结构的试验验证可靠性前提下，必须尽可能地减少结构的无用呆重。采用数字化设计手段，把优化设计理念纳入设计流程中，在考虑产品结构性能和设计目标的情况下，设计图 1 传统导弹结构设计流程出满足工程要求的最优产品。

                            图 1 传统导弹结构设计流程
   
2.2 传统导弹结构设计流程存在的一些问题
1. CAD设计与 CAE分析之间隔离，脱节。设计人员对有限元分析知之甚少，分析人员对结构设计及制造工艺了解不多，设计人员根据经验、设计标准以及类似的产品进行设计，而其强度、刚度、模态及稳定性等分析则需要转送分析人员进行分析计算，很多情况下，分析人员只起校核作用，如果不满足要求，则需要重新进行新一轮设计。
2．优化设计主要是在设计完成后，如果方案不能满足性能要求才进行，在其设计结果基础上进行优化，虽然可以在一定程度上满足性能要求，但很难达到最优方案。主要是设计人员根据经验或分析人员反馈的一些信息进行改进。
3．传统设计方法设计效率低、周期长，很难达到一次设计成功和设计最优。