基于公理化設(shè)計的導(dǎo)彈艙體連接結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

張廣軍， 許自然， 康海峰， 孫文釗， 胡潔

（上海機(jī)電工程研究所，上海201109）

0 引言

便攜式防空導(dǎo)彈是我國末端防御系統(tǒng)的重要組成。而彈體結(jié)構(gòu)又是導(dǎo)彈的重要組成，是維持導(dǎo)彈的氣動外形，提供彈上設(shè)備、電纜的安裝平臺及搭載有效載荷的功能；具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠可靠地完成導(dǎo)彈的飛行任務(wù)。艙體結(jié)構(gòu)以及連接形式是彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計重要環(huán)節(jié)。隨著現(xiàn)代作戰(zhàn)環(huán)境越來越復(fù)雜，導(dǎo)彈在全生命周期內(nèi)應(yīng)滿足軍方“管用、好用、耐用”的要求。便攜式防空導(dǎo)彈體積小，使得導(dǎo)彈的各艙段內(nèi)空間較為狹窄，同時各艙段間有電氣通信的要求，且要求導(dǎo)彈艙體連接更加可靠,這就給導(dǎo)彈艙體連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出了更高的要求。

如何提高導(dǎo)彈艙體連接結(jié)構(gòu)可靠性并得到優(yōu)化方案是本文研究的目的。本文基于公理化設(shè)計理論，提出一種通用產(chǎn)品方案設(shè)計與優(yōu)化模型，即利用公理化設(shè)計的獨(dú)立和信息兩個基本公理、定理以及推理來指導(dǎo)導(dǎo)彈艙體連接結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，以提高導(dǎo)彈綜合性能，滿足現(xiàn)代化作戰(zhàn)需求。目前，公理化設(shè)計在國內(nèi)得到廣泛的研究與應(yīng)用[1-8]。

1 公理化設(shè)計概念簡述

公理化設(shè)計（Axiomatic Design，AD）理論最早由美國MIT的Nam Pyo Suh提出設(shè)計理論與方法，其核心內(nèi)容為4個域（用戶域、功能域、物理域和過程域）以及域之間的映射法則、2大公理（獨(dú)立公理和信息公理）、8條推理和26項定理[9]。

第一公理：獨(dú)立公理。保持功能需求（FRs）獨(dú)立。

第二公理：信息公理。在保持功能需求獨(dú)立條件下，使設(shè)計中的信息含量為最小。

2 導(dǎo)彈艙體連接結(jié)構(gòu)形式

目前，國內(nèi)外便攜式防空導(dǎo)彈艙體常用連接方式有螺紋連接和套環(huán)連接結(jié)構(gòu)[10]，其中套環(huán)連接更加廣泛。本節(jié)重點(diǎn)分析套環(huán)連接形式特點(diǎn)以及不足。

艙體套環(huán)連接示意如圖1和圖2所示，即被連接的兩個艙體前后段各設(shè)計成外螺紋結(jié)構(gòu)，通常螺紋的參數(shù)一致且螺紋旋向必須相反（一右一左）；套環(huán)內(nèi)部設(shè)有與艙體外螺紋相匹配的右、左旋螺紋，并設(shè)計用于裝配的工藝孔。通過專用工裝轉(zhuǎn)動套環(huán)使得前后兩艙體在螺紋的拉動下沿軸線移動，直至艙體端面頂緊。套環(huán)連接形式使用范圍廣，如美國“毒刺”導(dǎo)彈各艙體間的連接主要采用這種形式。

便攜式防空導(dǎo)彈具有一個顯著特點(diǎn)是：一般采用單通道控制，導(dǎo)彈在飛行過程中以一定的速度繞導(dǎo)彈軸線旋轉(zhuǎn)（順航向看一般為右旋），同時導(dǎo)彈在日常貯存和運(yùn)輸、飛行過程中存在一定幅度的振動和沖擊，這使得套環(huán)連接中左旋螺紋有松動的可能性，一但出現(xiàn)松動，將會導(dǎo)致飛行試驗(yàn)失敗甚至人員傷亡，帶來巨大安全威脅。目前，國內(nèi)用于解決艙體連接螺紋松動問題的主要方法是在套環(huán)安裝孔內(nèi)灌鐵錨厭氧膠，當(dāng)厭氧膠固化后，套環(huán)和被連接艙體端面的螺紋粘接為一體，確保導(dǎo)彈在執(zhí)行任務(wù)過程中螺紋無松動現(xiàn)象。

但采用鐵錨厭氧膠螺紋防松存在一定的不足，即不便于快捷拆卸。當(dāng)導(dǎo)彈使用中出現(xiàn)故障或使用年限到期需維修時，通常采用機(jī)械切削加工方法將套環(huán)本體材料去除，再用鉗工方式去除殘留在艙體端面內(nèi)的螺紋。該拆卸方法效率低，同時有破壞艙體的風(fēng)險，導(dǎo)致維修成本高、周期長，導(dǎo)彈維修性差，不能快速投入作戰(zhàn)使用。因此，本文開展基于公理化設(shè)計理論對套環(huán)連接結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計研究。

圖1 套環(huán)連接安裝前狀態(tài)

圖2 套環(huán)連接安裝好狀態(tài)

3 基于公理化設(shè)計的導(dǎo)彈艙體連接結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化

導(dǎo)彈武器全生命周期對導(dǎo)彈艙體套環(huán)連接結(jié)構(gòu)的功能需求（Fuctional Requirements,FRs）主要有：貯運(yùn)和飛行過程中有足夠的連接強(qiáng)度（，連接可靠無松動（FR2），維修時便于拆卸（FR3）。設(shè)計參數(shù)（Design Paraments，DPs）為套環(huán)和鐵錨厭氧膠（DP2）。經(jīng)分析，連接強(qiáng)度（FR1）主要取決于套環(huán)（DP1）與前后艙段螺紋連接強(qiáng)度，連接可靠無松動（FR2）需套環(huán)（DP1）和厭氧膠（DP2）配合滿足，維修時便于拆卸（FR3）不能夠得到滿足。根據(jù)公理化設(shè)計理論中域的映射關(guān)系，功能需求和設(shè)計參數(shù)設(shè)計方程可表達(dá)為

由公理化設(shè)計定理1可知，即設(shè)計參數(shù)（DPs）數(shù)目小于功能需求（FRs）時，使得維修時便于拆卸功能需求得不到滿足，因此該設(shè)計方案不是最優(yōu)設(shè)計方案。

根據(jù)公理化設(shè)計定理4（理想設(shè)計）可知，理想設(shè)計的必要條件為設(shè)計參數(shù)（DPs）與功能需求（FRs）數(shù)目相等。為了能夠達(dá)到更加優(yōu)化的設(shè)計方案或者理想設(shè)計，必須增加一個設(shè)計參數(shù)（DP3）。根據(jù)公理化設(shè)計推理4（標(biāo)準(zhǔn)化的使用），即如果使用了標(biāo)準(zhǔn)件仍能夠滿足功能需求，則應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)件。因此，通過引入緊定螺釘設(shè)計參數(shù)（DP3）來優(yōu)化套環(huán)連接方案，見圖3所示，即艙體B前端螺紋在保證連接強(qiáng)度前提下，螺紋長度縮短并增加一個圓柱定位面，用于緊定螺釘定位；與此同時，套環(huán)增加一定數(shù)量螺紋孔與緊定螺釘安裝配合。

圖3 套環(huán)連接方案改進(jìn)優(yōu)化

針對改進(jìn)優(yōu)化方案，分析功能需求與設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系，改進(jìn)設(shè)計方案可表達(dá)為

分析該設(shè)計方程可知，設(shè)計矩陣A為滿矩陣，設(shè)計為耦合設(shè)計，必須對設(shè)計進(jìn)行解耦，以滿足功能需求的獨(dú)立原則。

根據(jù)定理7（耦合設(shè)計和解耦設(shè)計的路徑依賴性），即耦合設(shè)計和解耦設(shè)計的信息含量依賴于為滿足一組給定的功能需求而改變設(shè)計參數(shù)的先后次序。因此，調(diào)整改進(jìn)3個設(shè)計參數(shù)（DP1、DP2、DP3） 的先后次序，得到優(yōu)化的設(shè)計方程：

圖4 基于公理化設(shè)計的產(chǎn)品方案設(shè)計與優(yōu)化模型

分析式（3）可知，設(shè)計矩陣為下三角矩陣，該改進(jìn)設(shè)計方案為解耦設(shè)計，可通過開展套環(huán)、緊定螺釘（DP2）和螺紋放松厭氧膠（DP3）設(shè)計參數(shù)的并行設(shè)計，使得導(dǎo)彈艙體連接3個功能需求（連接強(qiáng)度（FR1）、連接可靠無松動（FR2）和維修時便于拆卸（FR3））均能夠得到滿足。

通過分析公理化設(shè)計理論在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計方案優(yōu)化中的應(yīng)用過程，可建立一種通用的產(chǎn)品方案設(shè)計與優(yōu)化模型，見圖4所示。利用該方法可在產(chǎn)品設(shè)計方案初期快速獲得最優(yōu)設(shè)計方案，提高產(chǎn)品全周期內(nèi)的綜合性能，更好地滿足用戶需求。

4 結(jié)語

本文通過分析公理化設(shè)計理論在導(dǎo)彈艙體連接結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，提出一種通用的產(chǎn)品方案設(shè)計與優(yōu)化模型，基于該模型用于指導(dǎo)導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化，提高導(dǎo)彈設(shè)計質(zhì)量，滿足現(xiàn)代復(fù)雜環(huán)境下對導(dǎo)彈性能的需求，實(shí)現(xiàn)“好用、管用、耐用”的用戶需求。