基于公理化設計的導彈艙體連接結構設計優化

張廣軍， 許自然， 康海峰， 孫文釗， 胡潔

（上海機電工程研究所，上海201109）

0 引言

便攜式防空導彈是我國末端防御系統的重要組成。而彈體結構又是導彈的重要組成，是維持導彈的氣動外形，提供彈上設備、電纜的安裝平臺及搭載有效載荷的功能；具有足夠的強度和剛度，能夠可靠地完成導彈的飛行任務。艙體結構以及連接形式是彈體結構設計重要環節。隨著現代作戰環境越來越復雜，導彈在全生命周期內應滿足軍方“管用、好用、耐用”的要求。便攜式防空導彈體積小，使得導彈的各艙段內空間較為狹窄，同時各艙段間有電氣通信的要求，且要求導彈艙體連接更加可靠,這就給導彈艙體連接結構的設計提出了更高的要求。

如何提高導彈艙體連接結構可靠性并得到優化方案是本文研究的目的。本文基于公理化設計理論，提出一種通用產品方案設計與優化模型，即利用公理化設計的獨立和信息兩個基本公理、定理以及推理來指導導彈艙體連接結構設計優化，以提高導彈綜合性能，滿足現代化作戰需求。目前，公理化設計在國內得到廣泛的研究與應用[1-8]。

1 公理化設計概念簡述

公理化設計（Axiomatic Design，AD）理論最早由美國MIT的Nam Pyo Suh提出設計理論與方法，其核心內容為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（獨立公理和信息公理）、8條推理和26項定理[9]。

第一公理：獨立公理。保持功能需求（FRs）獨立。

第二公理：信息公理。在保持功能需求獨立條件下，使設計中的信息含量為最小。

2 導彈艙體連接結構形式

目前，國內外便攜式防空導彈艙體常用連接方式有螺紋連接和套環連接結構[10]，其中套環連接更加廣泛。本節重點分析套環連接形式特點以及不足。

艙體套環連接示意如圖1和圖2所示，即被連接的兩個艙體前后段各設計成外螺紋結構，通常螺紋的參數一致且螺紋旋向必須相反（一右一左）；套環內部設有與艙體外螺紋相匹配的右、左旋螺紋，并設計用于裝配的工藝孔。通過專用工裝轉動套環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。套環連接形式使用范圍廣，如美國“毒刺”導彈各艙體間的連接主要采用這種形式。

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

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。當導彈使用中出現故障或使用年限到期需維修時，通常采用機械切削加工方法將套環本體材料去除，再用鉗工方式去除殘留在艙體端面內的螺紋。該拆卸方法效率低，同時有破壞艙體的風險，導致維修成本高、周期長，導彈維修性差，不能快速投入作戰使用。因此，本文開展基于公理化設計理論對套環連接結構形式進行改進優化設計研究。

圖1 套環連接安裝前狀態

圖2 套環連接安裝好狀態

3 基于公理化設計的導彈艙體連接結構改進優化

導彈武器全生命周期對導彈艙體套環連接結構的功能需求（Fuctional Requirements,FRs）主要有：貯運和飛行過程中有足夠的連接強度（，連接可靠無松動（FR2），維修時便于拆卸（FR3）。設計參數（Design Paraments，DPs）為套環和鐵錨厭氧膠（DP2）。經分析，連接強度（FR1）主要取決于套環（DP1）與前后艙段螺紋連接強度，連接可靠無松動（FR2）需套環（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。根據公理化設計理論中域的映射關系，功能需求和設計參數設計方程可表達為

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

根據公理化設計定理4（理想設計）可知，理想設計的必要條件為設計參數（DPs）與功能需求（FRs）數目相等。為了能夠達到更加優化的設計方案或者理想設計，必須增加一個設計參數（DP3）。根據公理化設計推理4（標準化的使用），即如果使用了標準件仍能夠滿足功能需求，則應采用標準件。因此，通過引入緊定螺釘設計參數（DP3）來優化套環連接方案，見圖3所示，即艙體B前端螺紋在保證連接強度前提下，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，套環增加一定數量螺紋孔與緊定螺釘安裝配合。

圖3 套環連接方案改進優化

針對改進優化方案，分析功能需求與設計參數之間的關系，改進設計方案可表達為

分析該設計方程可知，設計矩陣A為滿矩陣，設計為耦合設計，必須對設計進行解耦，以滿足功能需求的獨立原則。

根據定理7（耦合設計和解耦設計的路徑依賴性），即耦合設計和解耦設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計參數的先后次序。因此，調整改進3個設計參數（DP1、DP2、DP3） 的先后次序，得到優化的設計方程：

圖4 基于公理化設計的產品方案設計與優化模型

分析式（3）可知，設計矩陣為下三角矩陣，該改進設計方案為解耦設計，可通過開展套環、緊定螺釘（DP2）和螺紋放松厭氧膠（DP3）設計參數的并行設計，使得導彈艙體連接3個功能需求（連接強度（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。

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

4 結語

本文通過分析公理化設計理論在導彈艙體連接結構設計中的應用，提出一種通用的產品方案設計與優化模型，基于該模型用于指導導彈彈體結構設計與優化，提高導彈設計質量，滿足現代復雜環境下對導彈性能的需求，實現“好用、管用、耐用”的用戶需求。