數(shù)字樣機在導(dǎo)彈系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

梁 旗，何子路，曹 杰，楊 赟，朱 婧

(上海機電工程研究所，上海 201109)

0 引言

數(shù)字樣機起源于20世紀(jì)90年代，是一種用數(shù)字化模型代替實際物理樣機進行仿真分析的技術(shù)。將實物通過數(shù)學(xué)仿真模型進行替換，在數(shù)學(xué)模型上實現(xiàn)產(chǎn)品的性能分析、參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計等工作[1-2]。數(shù)字樣機因?qū)a(chǎn)品的各種屬性與功能數(shù)字化、參數(shù)化、模塊化，而具備貼近真實物理樣機特性、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。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，在對物理樣機進行各種功能驗證試驗以及環(huán)境適應(yīng)試驗時需要花費大量的時間精力以及人力物力。然而通過構(gòu)建導(dǎo)彈系統(tǒng)的數(shù)字樣機，評估在設(shè)計時是否考慮到功能的完善及適用性，當(dāng)產(chǎn)品狀態(tài)更改時是否容易修正[3]，可以快速模擬各種試驗環(huán)境，大大降低各種研制成本。本文主要針對導(dǎo)彈的發(fā)展需求，總結(jié)將數(shù)字樣機應(yīng)用于導(dǎo)彈裝備的研究現(xiàn)狀以及數(shù)字樣機的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了將來可能的發(fā)展趨勢，可為導(dǎo)彈設(shè)計生產(chǎn)數(shù)字化提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)字樣機概述

數(shù)字樣機是將物理產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)外形、裝配組合以及運動特性按照相似原理映射到計算機上的一種數(shù)字化描述[4]，如圖1所示。這種描述至少在某一方面將對象產(chǎn)品的特性進行了反映[5]，保證基于數(shù)字樣機的仿真結(jié)果同物理樣機實驗結(jié)果在一定程度上吻合，進而可以通過數(shù)字仿真代替物理實物實驗。數(shù)字樣機具有以下主要特點[6]：

圖1 數(shù)字樣機和物理樣機關(guān)系示意圖

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

2)參數(shù)化。實際上，數(shù)字樣機是通過物理樣機的各種參數(shù)將其映射到計算機中的。數(shù)字樣機的每一個參數(shù)均代表了物理樣機中一種實際的屬性。各種支持參數(shù)建模的軟件可以根據(jù)這些參數(shù)進行可視化建模甚至定制化仿真。這些軟件通過內(nèi)嵌物理模型與優(yōu)化算法，以數(shù)字樣機參數(shù)作為輸入，能夠使用戶開展參數(shù)化仿真或調(diào)試等設(shè)計與開發(fā)手段以達到預(yù)期要求。

3)模塊化。需要構(gòu)建數(shù)字樣機的產(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)字樣機后通過拼接或裝配等方式進行組合可以得到整體的數(shù)字樣機。相鄰模塊之間具備接口，實現(xiàn)兩者結(jié)構(gòu)或功能上的連通。根據(jù)實際情況可以對接口的數(shù)量、功能與屬性進行增減或替換，使其符合產(chǎn)品的實際情況。除了人機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)品的實際功能按照邏輯關(guān)系進行編程調(diào)用，從而使數(shù)字樣機從內(nèi)到外均能夠模擬產(chǎn)品的實際狀態(tài)。

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

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)字樣機的過程中，必須考慮上述影響因素，才能模擬產(chǎn)品真實的運行情況，進行準(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)字化樣機的雷達設(shè)計

6)可重構(gòu)性。可重構(gòu)性可以理解為對數(shù)字樣機模型參數(shù)的可變性。通過調(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。通過對功能模塊進行劃分、組合等方面的調(diào)整，使數(shù)字樣機產(chǎn)生功能上的改變，則稱為面向功能的可重構(gòu)性。在數(shù)字樣機的設(shè)計過程中，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)字樣機代替物理原型樣機以進行結(jié)構(gòu)和功能展示、性能仿真、測試和評估的數(shù)字化設(shè)計技術(shù)被稱作數(shù)字樣機技術(shù)[7]。數(shù)字樣機的構(gòu)建與設(shè)計可以通過計算機完成，體現(xiàn)出了綜合集成、快速靈活和協(xié)同合作的特點。設(shè)計人員可以在數(shù)字樣機構(gòu)建過程的時期直觀地進行參數(shù)調(diào)整、設(shè)計優(yōu)化、性能測試、制造仿真和使用仿真[8]，驗證實際的物理樣機能否達到預(yù)定的功能和性能，并以此為依據(jù)進行反饋或重新調(diào)整樣機[9]。同時，全體設(shè)計人員能夠根據(jù)協(xié)議共享數(shù)字資源，避免設(shè)計失誤，減少實物試驗，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)字樣機發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)字樣機技術(shù)起源于國外，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各專業(yè)領(lǐng)域，在導(dǎo)彈設(shè)計制造領(lǐng)域當(dāng)中，數(shù)字樣機常用于各單機分系統(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)動機、舵機等部分。南京電子技術(shù)研究所的徐紅蓮等人建立了雷達數(shù)字樣機，如圖2所示，驗證了應(yīng)用于復(fù)雜軍工電子裝備能力基線的技術(shù)可行性[12]。該所的張道富通過分析雷達的性能，提出了構(gòu)建雷達數(shù)字樣機的途徑[13]，從而為導(dǎo)彈導(dǎo)引頭內(nèi)的制導(dǎo)雷達實現(xiàn)數(shù)字樣機構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

針對導(dǎo)引頭的設(shè)計，北京遙感設(shè)備研究所的張陽總結(jié)了將數(shù)字虛擬樣機應(yīng)用于導(dǎo)引頭設(shè)計的優(yōu)勢，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)平通過數(shù)字樣機技術(shù)開發(fā)了一款紅外成像導(dǎo)引頭，并通過單一指標(biāo)測試、綜合性能試驗驗證了該導(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，如圖2(a)和圖2(b)所示。通過有限元方法，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]。上海機電工程研究所的劉廣等人使用數(shù)字樣機構(gòu)建了導(dǎo)彈雙模導(dǎo)引頭的模型，可將其應(yīng)用于動態(tài)校核、參數(shù)優(yōu)化等一系列驗證工序[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)字樣機仿真軟件中實現(xiàn)紅外導(dǎo)引頭視口下，導(dǎo)彈成像制導(dǎo)追擊目標(biāo)動態(tài)過程的仿真，對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]。北京航天自動控制研究所的邵學(xué)輝等人針對導(dǎo)引頭三框架隨動系統(tǒng)，建立了隨動系統(tǒng)機械、控制元件、控制回路數(shù)學(xué)樣機模型，并分析了影響隨動系統(tǒng)性能的誤差因素。按照模塊化設(shè)計思想，形成了通用的、參數(shù)可調(diào)的隨動系統(tǒng)數(shù)字樣機，如圖3所示[19]。

圖3 三軸隨動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)實體模型

引信是導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部中的重要器件，主要起到探測目標(biāo)與引爆的功能。南京理工大學(xué)的劉晨曦在設(shè)計激光引信時通過三維數(shù)字樣機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)進行進一步的編輯[20]。中國空空導(dǎo)彈研究院的李合新以三維數(shù)字樣機為基礎(chǔ)，對戰(zhàn)斗部參數(shù)進行優(yōu)化，對引信的整個工作流程進行了仿真[21]。西安電子科技大學(xué)的王震在研究大功率脈沖無線電引信時通過構(gòu)建數(shù)字樣機進行了仿真驗證與參數(shù)優(yōu)化，從而研制了空空導(dǎo)彈引信實物樣機[22]。

圖4 激光引信數(shù)字樣機

發(fā)動機是為導(dǎo)彈提供飛行動力的部分，由于內(nèi)部燃料燃燒而通常承受較大的載荷，因此在設(shè)計中需要進行結(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)動機時通過數(shù)字樣機技術(shù)繪制了發(fā)動機的裝配圖，從而對內(nèi)部固體力學(xué)進行分析[23]。南京理工大學(xué)的張震構(gòu)建了發(fā)動機殼體的數(shù)字樣機，通過有限元方法進行了模態(tài)分析。另外，針對發(fā)動機推力偏心對導(dǎo)彈發(fā)射精度產(chǎn)生的影響同樣可以用數(shù)字樣機技術(shù)進行研究[24]。上海機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導(dǎo)彈出筒姿態(tài)的影響，如圖5所示[25]。中國運載火箭技術(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停骄堪l(fā)動機推力偏心造成的導(dǎo)彈發(fā)射初始擾動[25]。

圖5 剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)虛擬樣機模型

電動舵機是在導(dǎo)彈飛行過程中調(diào)整方向的構(gòu)件。在通常的設(shè)計中，重點往往聚焦在數(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物理樣機進行驗證，提高了設(shè)計時間與成本。復(fù)旦大學(xué)的劉廣針對舵系統(tǒng)研制過程中存在的展開、鎖緊等操作過程中的技術(shù)難題，構(gòu)建了導(dǎo)彈舵系統(tǒng)數(shù)字虛擬樣機，并通過大量試驗校正了該模型[27]。中國科學(xué)院大學(xué)的劉斷塵構(gòu)建了舵機折疊翼的數(shù)字樣機，對葉片薄弱環(huán)節(jié)進行了優(yōu)化[28]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的范天祥將數(shù)字樣機技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈伺服系統(tǒng)，對PID控制器與魯棒控制器進行驗證，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)真實工作情況進行良好的反映，其模型如圖6所示[30]。

圖6 電動舵機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

除此之外，隨著數(shù)字樣機大量應(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數(shù)字化環(huán)境下雷達裝備量產(chǎn)質(zhì)量控制技術(shù)進行了探討[31]；中國電子科技集團公司第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、數(shù)據(jù)鏈等單機系統(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)院的劉國慶等人通過數(shù)字樣機等技術(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)字樣機技術(shù)因可縮短研究時長并有效降低研究成本，越來越被我國重要軍工領(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)越來越重要的地位。

3 數(shù)字樣機關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)字樣機建模技術(shù)

數(shù)字模型是對現(xiàn)實物理世界中事物或者現(xiàn)象的抽象化表達。模型的三維參數(shù)可以通過圖形的方式進行可視化以展示其外觀與結(jié)構(gòu)，而其他的屬性參數(shù)也可以進行賦值以定量描述其不可視的性質(zhì)。基于計算機輔助設(shè)計工具的數(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，逐漸取代了通過模具建模的傳統(tǒng)建模方法。在計算機上根據(jù)原型樣機的結(jié)構(gòu)尺寸、功能性能等參數(shù)建立能夠映射實際情況的數(shù)字模型是構(gòu)建數(shù)字樣機的基礎(chǔ)。根據(jù)數(shù)字樣機的用途與分類可以將數(shù)字樣機的建模方法分為幾何建模、特征建模、知識建模等。在實際應(yīng)用中，復(fù)雜的原型樣機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)字樣機仿真的效果，從而關(guān)系到數(shù)字樣機是否能夠達到工程上對產(chǎn)品設(shè)計、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，可以通過相似的模板對模型進行構(gòu)建，因此在建模時可以使用參數(shù)化、變量化的建模方法，即將原型樣機的各個特征抽象成參數(shù)進行數(shù)字表示，并通過改變參數(shù)值來調(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)進行賦值，具有靈活、多變且全面的特點。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有限元分析方法應(yīng)用于后續(xù)優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中。

3.2 數(shù)字樣機仿真技術(shù)

仿真技術(shù)是在計算機科學(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態(tài)靈活地以一定規(guī)律分析真實產(chǎn)品的實時狀態(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)境對產(chǎn)品的影響乃至產(chǎn)品對周圍環(huán)境的影響，能夠及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，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產(chǎn)品的單一領(lǐng)域如流場、紅外輻射場以及電路等進行仿真，分析或預(yù)測產(chǎn)品在某一特定物理場影響下的狀態(tài)。數(shù)字樣機仿真技術(shù)則是在模擬物理原型樣機的情況下，依靠仿真技術(shù)的特點，在多物理環(huán)境交叉耦合的背景下，將各方面因素對導(dǎo)彈產(chǎn)品的影響整合起來，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的作用，這種方式能夠更加全面地評估產(chǎn)品在真實環(huán)境下的工作狀態(tài)，并據(jù)此開展優(yōu)化措施，對產(chǎn)品的設(shè)計更具優(yōu)勢。ANSYS、ABAQUS、COMSOL Multiphysics等多物理場仿真軟件具備多樣的模型庫與強大的運算功能，能夠通過可視化地建模調(diào)參，逼真地設(shè)置產(chǎn)品所處的物理場景，大大提升數(shù)字樣機模型的置信度。然而，多物理場仿真軟件強大的功能更需要專業(yè)的知識才能駕馭。在通過上述軟件進行多物理場耦合仿真時，需要具備相關(guān)的物理理論基礎(chǔ)、有限元與算法知識，才能構(gòu)建出合適的模型，任何一個不合理的參數(shù)設(shè)置或算法選擇都可能使仿真結(jié)果偏離實際甚至造成模型計算不收斂。

3.3 數(shù)據(jù)管理技術(shù)

在構(gòu)建數(shù)字樣機的過程中，除了能夠反映原型樣機物理狀態(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)中可以通過歷史樹實現(xiàn)。歷史樹保留的流程數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)結(jié)合納入數(shù)字樣機專門的數(shù)據(jù)生成管理系統(tǒng)。通過管理該系統(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)可以保證數(shù)據(jù)的一致性并開放共享，有效提高了數(shù)字樣機的數(shù)據(jù)利用率，并能夠使所有設(shè)計人員一起監(jiān)督數(shù)字樣機數(shù)據(jù)，有效避免錯誤的產(chǎn)生[36]。歷史數(shù)據(jù)的保留也可以在后續(xù)引入機器學(xué)習(xí)進行人工智能優(yōu)化時提供樣本，補充導(dǎo)彈設(shè)計中相對匱乏的數(shù)據(jù)素材，避免在機器學(xué)習(xí)過程中生成過多無效數(shù)據(jù)，降低學(xué)習(xí)效率。

由于數(shù)字樣機在設(shè)計過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)時難免出現(xiàn)不兼容的情況，因此在管理數(shù)據(jù)時，需要做好各軟件系統(tǒng)的接口工作，使每一處節(jié)點的數(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)字樣機設(shè)計效率，在設(shè)計出錯時也可以迅速獲取可用的中間數(shù)據(jù)進行調(diào)試，從而快速定位錯誤位置。除此之外，由于導(dǎo)彈數(shù)字樣機涵蓋了復(fù)雜的導(dǎo)彈系統(tǒng)及其設(shè)計流程，其數(shù)據(jù)量十分巨大，在存儲與讀取時需占用大量的硬件資源且耗費較長的存取時間。因此，通過稀疏矩陣等方式對大量數(shù)字樣機數(shù)據(jù)進行壓縮處理也是在數(shù)據(jù)管理過程當(dāng)中需要考慮的地方。

3.4 可視化協(xié)同設(shè)計

由于數(shù)字樣機的構(gòu)建常常涉及到各個方向的研究人員共同的設(shè)計，在進行諸如導(dǎo)彈之類復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)品的數(shù)字化時，數(shù)字樣機的規(guī)模會迅速增大，對計算機的性能要求大大提高。為此，數(shù)字樣機支持通過可視化協(xié)同設(shè)計技術(shù)對復(fù)雜裝配進行處理，以分布式結(jié)構(gòu)將不同地點的不同部件設(shè)計師的設(shè)計結(jié)果進行協(xié)同表達、設(shè)計和分析[37]。

導(dǎo)彈是一個十分復(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)零件都是實心零件。因此，在數(shù)字樣機建模、仿真過程中對導(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)計時，需要顯示導(dǎo)彈的各個結(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；在進行物理場仿真時，有時需要考察實心結(jié)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力或溫度場，應(yīng)該對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件內(nèi)部位置參數(shù)進行顯示；導(dǎo)彈飛行過程中，可能需要考察蒙皮內(nèi)外的溫度場或電磁場，確保內(nèi)部系統(tǒng)能夠在高溫、強電磁干擾等惡劣環(huán)境下能夠正常工作，應(yīng)該對蒙皮內(nèi)部相應(yīng)物理場分布進行顯示。因此，數(shù)字樣機的可視化界面不僅需要具備常規(guī)的拖動、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)測受到遮擋的部件情況。針對物理場分布的可視化，通過在坐標(biāo)軸內(nèi)一維/二維/三維的截點、截線、截面并選取待監(jiān)測物理量的方式，可以獲取導(dǎo)彈內(nèi)外任意區(qū)域的數(shù)據(jù)。物理場分布圖與矢量分布圖能夠直觀地顯示物理場的強弱與方向。另外，進行物理場動態(tài)仿真與模態(tài)分析時還應(yīng)具備按時間或頻率截取的功能，顯示特定時間或頻率下的物理場分布。

3.5 虛擬儀器技術(shù)

除了三維建模與物理場仿真以外，數(shù)字化測試技術(shù)也是數(shù)字樣機的重要組成部分。數(shù)字化測試系統(tǒng)實現(xiàn)了測試技術(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、連線繁瑣的測試儀器的功能集成于軟件當(dāng)中并嵌入工控機載體之內(nèi)，大大增強了測試系統(tǒng)的靈活性，滿足了測試系統(tǒng)小型化、輕量化的實際需求，在轉(zhuǎn)場過程中搬運便捷，十分適用于針對復(fù)雜系統(tǒng)需要測量眾多參數(shù)的場合。實際上，虛擬儀器作為測試系統(tǒng)的數(shù)字樣機，可以憑借軟件內(nèi)集成的多種測試儀器模塊與信號處理模塊，通過編程的方式自定義測試流程，智能地對導(dǎo)彈進行半自動測試。虛擬儀器通過圖形語言、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、實現(xiàn)指令控制、結(jié)果顯示與數(shù)據(jù)分析處理的開發(fā)平臺，減少了對傳統(tǒng)測試儀器維護、升級等工作。

圖7 分布式數(shù)字樣機發(fā)展趨勢

虛擬儀器系提供了人機交互的軟件平臺，便于設(shè)計人員針對導(dǎo)彈的實際情況搭建合適的數(shù)字測試系統(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)層將待測信號進行采集并轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，并進行數(shù)據(jù)的存儲、調(diào)用與傳輸；處理層封裝了信號處理算法程序，在處理數(shù)據(jù)時調(diào)用相應(yīng)的模塊并輸出結(jié)果；應(yīng)用層主要實現(xiàn)人機交互功能，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)字樣機發(fā)展趨勢與應(yīng)用展望

長期以來，由于導(dǎo)彈系統(tǒng)集成度過高，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，在對導(dǎo)彈產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)或校驗過程中稍有不慎，就會導(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)度進行管理與技術(shù)革新。然而，隨著數(shù)字樣機的技術(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)濟的進步也使各科研院所逐漸在各分系統(tǒng)中引入了數(shù)字樣機技術(shù)。在導(dǎo)彈設(shè)計過程中，數(shù)字樣機可能將會有以下幾種發(fā)展趨勢。

4.1 從分布式設(shè)計發(fā)展為集中-分布式設(shè)計

在現(xiàn)行的導(dǎo)彈設(shè)計過程中，通常將導(dǎo)彈拆分成各單機系統(tǒng)，由分系統(tǒng)研究科室分別構(gòu)建數(shù)字樣機，針對預(yù)定功能與性能指標(biāo)進行分布式設(shè)計，之后形成物理樣機進行拼接與聯(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，能夠提高設(shè)計效率，而同時也存在設(shè)計時僅考慮本分系統(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)計完成后發(fā)生聯(lián)調(diào)時彼此之間結(jié)構(gòu)、接口、協(xié)議等不符，仍需進行各方面的調(diào)整，增加了許多不必要的工作。針對這一問題，在各分系統(tǒng)設(shè)計之前構(gòu)建集中式導(dǎo)彈整體數(shù)字樣機，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)在實現(xiàn)預(yù)定功能時可能互相存在影響與耦合，在構(gòu)建整體數(shù)字樣機時要予以充分考慮，才能避免總體設(shè)計時反而約束各分系統(tǒng)設(shè)計的反作用。

4.2 從自由化設(shè)計發(fā)展為規(guī)范化設(shè)計

由于不同導(dǎo)彈型號對各分系統(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)型號實際要求對數(shù)字樣機進行設(shè)計的。盡管這種自由化設(shè)計具備靈活多變可調(diào)的優(yōu)點，但由于各單位以及設(shè)計人員水平良莠不齊，導(dǎo)致某些情況下設(shè)計出的數(shù)字樣機不僅沒有達到模擬或代替物理樣機的效果，甚至由于其設(shè)計不合理而使對其進行的各種調(diào)參與試驗均不具備參考價值，使得按該數(shù)字樣機構(gòu)建出的物理樣機無法達到預(yù)期的設(shè)計要求。因此，將數(shù)字樣機應(yīng)用于各種產(chǎn)品產(chǎn)線的技術(shù)規(guī)范已受到越來越多的關(guān)注[39-40]，針對各分系統(tǒng)的數(shù)字樣機設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)范隨著武器裝備數(shù)字化轉(zhuǎn)型的進行而不斷提出。在規(guī)范化設(shè)計的框架下，設(shè)計人員將通過相對固定的流程對標(biāo)準(zhǔn)化的導(dǎo)彈數(shù)字樣機進行自適應(yīng)修改，這樣既可以保證數(shù)字樣機模型的相對正確性，又可以最大限度地保留設(shè)計人員的設(shè)計自主權(quán)。

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

除了在實際應(yīng)用上的推廣外，在數(shù)字樣機技術(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)字樣機技術(shù)的基礎(chǔ)上還能夠通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段為物理實體增加或擴展新的能力，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)字樣機模擬產(chǎn)品實體并進行優(yōu)化的作用外，隨著計算機、大數(shù)據(jù)、測試等技術(shù)的發(fā)展，更加優(yōu)化了數(shù)字樣機的靜態(tài)與動態(tài)模型，甚至在與產(chǎn)品實體關(guān)聯(lián)后可以與其交互、共生，從而對產(chǎn)品的調(diào)試、升級提供了保障。

由于數(shù)字孿生技術(shù)是在數(shù)字樣機的基礎(chǔ)上建立起來的，因而其相較于數(shù)字樣機技術(shù)具有更加全面而廣泛的應(yīng)用范圍。兩者的關(guān)系就涉及范圍來說，數(shù)字孿生已經(jīng)基本涵蓋了數(shù)字樣機。通過這一技術(shù)上的更新迭代，將會迅速促進導(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，在不久的未來導(dǎo)彈數(shù)字樣機將在在很大程度上會被基于數(shù)字孿生技術(shù)的開發(fā)技術(shù)所取代。

5 結(jié)束語

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，對于低經(jīng)濟成本、低時間成本和低人力成本的需求不斷提高。數(shù)字樣機技術(shù)依靠其優(yōu)點取代物理樣機的試驗調(diào)試步驟，可以快速準(zhǔn)確地在裝備設(shè)計、研制、調(diào)試等各關(guān)鍵步驟發(fā)揮優(yōu)勢。通過數(shù)字樣機構(gòu)建并完善好的模型開發(fā)制作出來后經(jīng)過簡單的調(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，對推動國防建設(shè)數(shù)字化具有重要意義。