基于公理化设计的导弹舱体连接结构设计优化

张广军， 许自然， 康海峰， 孙文钊， 胡洁

（上海机电工程研究所，上海201109）

0 引言

便携式防空导弹是我国末端防御系统的重要组成。而弹体结构又是导弹的重要组成，是维持导弹的气动外形，提供弹上设备、电缆的安装平台及搭载有效载荷的功能；具有足够的强度和刚度，能够可靠地完成导弹的飞行任务。舱体结构以及连接形式是弹体结构设计重要环节。随着现代作战环境越来越复杂，导弹在全生命周期内应满足军方“管用、好用、耐用”的要求。便携式防空导弹体积小，使得导弹的各舱段内空间较为狭窄，同时各舱段间有电气通信的要求，且要求导弹舱体连接更加可靠,这就给导弹舱体连接结构的设计提出了更高的要求。

如何提高导弹舱体连接结构可靠性并得到优化方案是本文研究的目的。本文基于公理化设计理论，提出一种通用产品方案设计与优化模型，即利用公理化设计的独立和信息两个基本公理、定理以及推理来指导导弹舱体连接结构设计优化，以提高导弹综合性能，满足现代化作战需求。目前，公理化设计在国内得到广泛的研究与应用[1-8]。

1 公理化设计概念简述

公理化设计（Axiomatic Design，AD）理论最早由美国MIT的Nam Pyo Suh提出设计理论与方法，其核心内容为4个域（用户域、功能域、物理域和过程域）以及域之间的映射法则、2大公理（独立公理和信息公理）、8条推理和26项定理[9]。

第一公理：独立公理。保持功能需求（FRs）独立。

第二公理：信息公理。在保持功能需求独立条件下，使设计中的信息含量为最小。

2 导弹舱体连接结构形式

目前，国内外便携式防空导弹舱体常用连接方式有螺纹连接和套环连接结构[10]，其中套环连接更加广泛。本节重点分析套环连接形式特点以及不足。

舱体套环连接示意如图1和图2所示，即被连接的两个舱体前后段各设计成外螺纹结构，通常螺纹的参数一致且螺纹旋向必须相反（一右一左）；套环内部设有与舱体外螺纹相匹配的右、左旋螺纹，并设计用于装配的工艺孔。通过专用工装转动套环使得前后两舱体在螺纹的拉动下沿轴线移动，直至舱体端面顶紧。套环连接形式使用范围广，如美国“毒刺”导弹各舱体间的连接主要采用这种形式。

便携式防空导弹具有一个显著特点是：一般采用单通道控制，导弹在飞行过程中以一定的速度绕导弹轴线旋转（顺航向看一般为右旋），同时导弹在日常贮存和运输、飞行过程中存在一定幅度的振动和冲击，这使得套环连接中左旋螺纹有松动的可能性，一但出现松动，将会导致飞行试验失败甚至人员伤亡，带来巨大安全威胁。目前，国内用于解决舱体连接螺纹松动问题的主要方法是在套环安装孔内灌铁锚厌氧胶，当厌氧胶固化后，套环和被连接舱体端面的螺纹粘接为一体，确保导弹在执行任务过程中螺纹无松动现象。

但采用铁锚厌氧胶螺纹防松存在一定的不足，即不便于快捷拆卸。当导弹使用中出现故障或使用年限到期需维修时，通常采用机械切削加工方法将套环本体材料去除，再用钳工方式去除残留在舱体端面内的螺纹。该拆卸方法效率低，同时有破坏舱体的风险，导致维修成本高、周期长，导弹维修性差，不能快速投入作战使用。因此，本文开展基于公理化设计理论对套环连接结构形式进行改进优化设计研究。

图1 套环连接安装前状态

图2 套环连接安装好状态

3 基于公理化设计的导弹舱体连接结构改进优化

导弹武器全生命周期对导弹舱体套环连接结构的功能需求（Fuctional Requirements,FRs）主要有：贮运和飞行过程中有足够的连接强度（，连接可靠无松动（FR2），维修时便于拆卸（FR3）。设计参数（Design Paraments，DPs）为套环和铁锚厌氧胶（DP2）。经分析，连接强度（FR1）主要取决于套环（DP1）与前后舱段螺纹连接强度，连接可靠无松动（FR2）需套环（DP1）和厌氧胶（DP2）配合满足，维修时便于拆卸（FR3）不能够得到满足。根据公理化设计理论中域的映射关系，功能需求和设计参数设计方程可表达为

由公理化设计定理1可知，即设计参数（DPs）数目小于功能需求（FRs）时，使得维修时便于拆卸功能需求得不到满足，因此该设计方案不是最优设计方案。

根据公理化设计定理4（理想设计）可知，理想设计的必要条件为设计参数（DPs）与功能需求（FRs）数目相等。为了能够达到更加优化的设计方案或者理想设计，必须增加一个设计参数（DP3）。根据公理化设计推理4（标准化的使用），即如果使用了标准件仍能够满足功能需求，则应采用标准件。因此，通过引入紧定螺钉设计参数（DP3）来优化套环连接方案，见图3所示，即舱体B前端螺纹在保证连接强度前提下，螺纹长度缩短并增加一个圆柱定位面，用于紧定螺钉定位；与此同时，套环增加一定数量螺纹孔与紧定螺钉安装配合。

图3 套环连接方案改进优化

针对改进优化方案，分析功能需求与设计参数之间的关系，改进设计方案可表达为

分析该设计方程可知，设计矩阵A为满矩阵，设计为耦合设计，必须对设计进行解耦，以满足功能需求的独立原则。

根据定理7（耦合设计和解耦设计的路径依赖性），即耦合设计和解耦设计的信息含量依赖于为满足一组给定的功能需求而改变设计参数的先后次序。因此，调整改进3个设计参数（DP1、DP2、DP3） 的先后次序，得到优化的设计方程：

图4 基于公理化设计的产品方案设计与优化模型

分析式（3）可知，设计矩阵为下三角矩阵，该改进设计方案为解耦设计，可通过开展套环、紧定螺钉（DP2）和螺纹放松厌氧胶（DP3）设计参数的并行设计，使得导弹舱体连接3个功能需求（连接强度（FR1）、连接可靠无松动（FR2）和维修时便于拆卸（FR3））均能够得到满足。

通过分析公理化设计理论在实际产品设计方案优化中的应用过程，可建立一种通用的产品方案设计与优化模型，见图4所示。利用该方法可在产品设计方案初期快速获得最优设计方案，提高产品全周期内的综合性能，更好地满足用户需求。

4 结语

本文通过分析公理化设计理论在导弹舱体连接结构设计中的应用，提出一种通用的产品方案设计与优化模型，基于该模型用于指导导弹弹体结构设计与优化，提高导弹设计质量，满足现代复杂环境下对导弹性能的需求，实现“好用、管用、耐用”的用户需求。