甄瑞 余盛強(qiáng) 姚建軍

（中國航天科工集團(tuán)公司三院33所，北京，100074）

三化設(shè)計

慣性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計“三化”實踐

甄瑞 余盛強(qiáng) 姚建軍

（中國航天科工集團(tuán)公司三院33所，北京，100074）

文摘：通過對慣性產(chǎn)品設(shè)計“三化”規(guī)范體系的建立，闡述編制通用手冊、模板和模型庫的具體做法以及構(gòu)建關(guān)鍵產(chǎn)品型譜等方面的“三化”情況，逐層介紹慣性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計“三化”的實踐過程與方法，結(jié)合效果分析與啟示，對“三化”設(shè)計進(jìn)行總結(jié)，提出實施建議。

慣性產(chǎn)品；“三化”設(shè)計；型譜；模板；模型庫。

通過“三化”（通用化、系列化、模塊化/組合化）設(shè)計，能夠起到充分利用已有研制成果、縮短研制周期、降低研制成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性等作用。作為產(chǎn)品“三化”源頭的“三化”設(shè)計，能在產(chǎn)品設(shè)計伊始，將“三化”的基因凝固在成品的整個壽命周期內(nèi)，因此具有非常重要的意義。我所是集研究、設(shè)計、試驗和批量生產(chǎn)于一體的導(dǎo)彈慣控系統(tǒng)專業(yè)研究所，近年來，越來越繁重的科研任務(wù)給慣性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來較大沖擊，以往相對獨立的設(shè)計方式越來越不能滿足復(fù)雜、多變研制任務(wù)的要求，形成具有慣性產(chǎn)品鮮明特征的“三化”設(shè)計方法與實踐顯得越發(fā)重要和急迫。

1 建規(guī)立制，構(gòu)建“三化”設(shè)計頂層規(guī)范體系

沒有規(guī)矩，不成方圓?！叭痹O(shè)計的重中之重就是建立一個完備的頂層規(guī)范體系，一旦體系建立，就可以按照體系有序地開展“三化”設(shè)計的各項工作，隨時了解“三化”設(shè)計工作的進(jìn)展和需要著力發(fā)展的方向。

慣性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)的精度、強(qiáng)度、剛度、減振、防沖擊、防熱環(huán)境、防磁環(huán)境等均有較高要求。根據(jù)慣性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，將設(shè)計分為兩大類：結(jié)構(gòu)設(shè)計類和仿真分析類，每個類型都有相應(yīng)的規(guī)范作為頂層指導(dǎo)文件。這些規(guī)范都是由經(jīng)驗豐富的設(shè)計師團(tuán)隊主編，經(jīng)過多次征求意見和評審后正式發(fā)布的所級標(biāo)準(zhǔn)或部門試行標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品“三化”設(shè)計在這些規(guī)范的指導(dǎo)下有序進(jìn)行。其“三化”的頂層規(guī)范體系如圖1所示。

2 編制“三化”通用手冊、模板和模型庫，促進(jìn)規(guī)范體系落地生根

在實際設(shè)計過程中，規(guī)范體系的指導(dǎo)作用往往需要更直接的模板和選用庫中的素材。設(shè)計師團(tuán)隊在深刻理解規(guī)范體系的要求后，梳理、總結(jié)和提煉以往的設(shè)計產(chǎn)品和經(jīng)驗，有針對性地編制設(shè)計的通用手冊和模板，并借助UGNX軟件建立了三維模型庫。

2.1 編制結(jié)構(gòu)設(shè)計報告模板

結(jié)構(gòu)設(shè)計報告是結(jié)構(gòu)設(shè)計的精華所在，也是設(shè)計經(jīng)驗的及時總結(jié)。以往結(jié)構(gòu)設(shè)計報告的內(nèi)容與個人編寫的習(xí)慣有關(guān)，存在結(jié)構(gòu)設(shè)計報告內(nèi)容不完整、對設(shè)計輸入覆蓋性不全的問題。按照慣導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的要求，經(jīng)過整理后的結(jié)構(gòu)設(shè)計報告模板嚴(yán)格對應(yīng)結(jié)構(gòu)任務(wù)書的要求。其內(nèi)容主要有：總體設(shè)計思路、設(shè)計難點與重點，對外接口、結(jié)構(gòu)形式、力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性、密封、熱學(xué)環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容、工藝性、防誤差、標(biāo)識、外觀、防濕熱、防霉菌、防鹽霧、壽命、包裝箱以及安裝精度等設(shè)計，關(guān)鍵螺釘強(qiáng)度分析與校核，力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性、氣密性、熱學(xué)環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性的分析與驗證和質(zhì)量保證與控制要求分析。按照設(shè)計報告模板編寫，就能得到內(nèi)容完整、對設(shè)計輸入覆蓋全面的結(jié)構(gòu)設(shè)計報告。

2.2 編制結(jié)構(gòu)仿真分析報告模板

結(jié)構(gòu)仿真分析報告是對結(jié)構(gòu)特性的全面總結(jié)，以往的報告同樣存在因人而異和內(nèi)容不完整的情況。按照結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真分析規(guī)范、熱學(xué)環(huán)境建模和仿真分析規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真分析報告模板和熱學(xué)仿真分析報告模板記錄了設(shè)計工程師與仿真分析工程師的協(xié)同配合，利用有限元數(shù)值計算方法對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)選，并以“初步設(shè)計—仿真分析—改進(jìn)設(shè)計”為基本模式對優(yōu)選方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的循環(huán)歷程，詳細(xì)描述了對最終優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進(jìn)行虛擬驗證的有限元建模過程及計算結(jié)果等內(nèi)容，報告內(nèi)容詳實、完整。

2.3 建立平臺慣導(dǎo)、捷聯(lián)慣導(dǎo)通用結(jié)構(gòu)三維模型庫

平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)是我所的主要產(chǎn)品，由于型號任務(wù)要求不同，存在產(chǎn)品種類繁多、代表性不強(qiáng)等特點。針對這個問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員按照慣性器件進(jìn)行分類，優(yōu)選出平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)11個，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)64個（其中激光捷聯(lián)14個、光纖捷聯(lián)44個、MEMS系統(tǒng)6個）。所有優(yōu)選出的系統(tǒng)均建立了三維模型庫供所有設(shè)計人員直接選用，極大地提高了慣導(dǎo)系統(tǒng)的通用性，設(shè)計周期大幅縮短。

3 編制減振器選用手冊

減振器在緩解產(chǎn)品振動、沖擊等力學(xué)環(huán)境影響以及在提高系統(tǒng)適應(yīng)性方面具有至關(guān)重要的作用，是慣性產(chǎn)品的重要組成部分。我所先后研制了數(shù)十種形態(tài)各異、材料各異、性能各異的減振器，為我所各類慣性產(chǎn)品的成功研制起到了重要作用。隨著型號研制難度的增大和研制節(jié)奏的加快，減振器的成熟度對慣導(dǎo)系統(tǒng)的影響日趨明顯：一是越來越多的減振器在型號研制中獲得應(yīng)用；二是新研減振器需要承受技術(shù)指標(biāo)和研制周期的雙重壓力。為此，我們對具有一定繼承性的減振器進(jìn)行梳理，將其分為4類：柱狀系列、碗狀系列、環(huán)狀系列和三向系列，如圖2所示。

將上述梳理的結(jié)果供新型號優(yōu)先考慮選用。實踐證明，這是解決減振器研制難題行之有效的方法。減振器選用手冊是對我所已研和在研減振器的一次全面梳理和總結(jié)，一共包括了四大類共45種不同特性的減振器，包含了彈用、陸用和水中兵器用等諸多使用環(huán)境?？傮w設(shè)計人員和結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可以根據(jù)手冊列舉的減振器的類型、基本概述、主要技術(shù)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)尺寸、典型安裝方式、應(yīng)用情況和生產(chǎn)廠家等要素，準(zhǔn)確、方便地選取與具體應(yīng)用環(huán)境相匹配的減振器，達(dá)到提高研制效率和降低研制成本的目的。減振器選用手冊的應(yīng)用領(lǐng)域見表1，其特性見表2。

表1 減振器選用手冊的應(yīng)用領(lǐng)域

表2 減振器選用手冊的特性

4 編制標(biāo)準(zhǔn)緊固件選用手冊及各類零、部、組件模型庫

4.1 標(biāo)準(zhǔn)緊固件選用手冊及模型庫

5.2.2 體育教師應(yīng)明確“學(xué)”、“練”、“賽”之間的關(guān)系。學(xué)習(xí)是基礎(chǔ)，練習(xí)是鞏固，比賽是檢驗和提高。只有通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)才能達(dá)到更好地學(xué)習(xí)效果。同時教師應(yīng)明確適合采用競賽教學(xué)法進(jìn)行授課的內(nèi)容，靈活選取教學(xué)方法進(jìn)行授課。

標(biāo)準(zhǔn)緊固件在產(chǎn)品設(shè)計過程中使用頻率很高，以往設(shè)計師根據(jù)個人習(xí)慣，隨意選用標(biāo)準(zhǔn)緊固件，造成了標(biāo)準(zhǔn)緊固件種類多，單件批量小，單件成本高，訂貨周期長等問題。標(biāo)準(zhǔn)緊固件選用手冊編寫組通過對標(biāo)準(zhǔn)緊固件生產(chǎn)廠家調(diào)研、對所內(nèi)所有型號標(biāo)準(zhǔn)緊固件的使用情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，優(yōu)選出兩種標(biāo)準(zhǔn)緊固件材料，分別適應(yīng)惡劣環(huán)境和大負(fù)載。對各類慣性器件標(biāo)準(zhǔn)緊固件的選用作出詳細(xì)規(guī)定，將原來3000多種標(biāo)準(zhǔn)緊固件壓縮為311種，并對著311種標(biāo)準(zhǔn)緊固件建立了三維模型庫，方便設(shè)計師選用。三維模型庫的目錄如圖3所示。

4.2 電路板鎖緊裝置三維模型庫

電路板鎖緊裝置是慣性產(chǎn)品中電路板常用的一種裝夾裝置。由于電路板的尺寸規(guī)格差異較大，以往的電路板鎖緊裝置差異也較大，很難通用。按照電路板鎖緊裝置設(shè)計規(guī)范的要求，將電路板鎖緊裝置按照電路板的尺寸進(jìn)行分類，對于通用的零件進(jìn)行固化設(shè)計，并建立三維模型，如圖4所示；對于隨電路板尺寸變化的零件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，同樣建立了三維模型，如圖5所示。

4.3 固定夾三維模型庫

固定夾是慣性產(chǎn)品電氣布線用于裝夾線扎的常用零件。按照固定夾設(shè)計規(guī)范的要求，并根據(jù)實際應(yīng)用情況，將固定夾分為7類（共63種）：單面固定夾、雙面固定夾、單面扁平固定夾、雙面扁平固定夾、側(cè)面固定夾、側(cè)面扁平固定夾和環(huán)型固定夾（見表3），并建立了三維模型庫。

表3 固定夾種類

4.4 密封圈三維模型庫

密封圈是保證慣性產(chǎn)品密封、不受水汽干擾的重要零件，一般由模具壓制成型。按照密封圈設(shè)計規(guī)范，結(jié)合實際應(yīng)用情況，將有模具的密封圈進(jìn)行統(tǒng)計整理，并建立138種密封圈三維模型庫。密封圈模型庫目錄包括QHy 289_10.5X3_ 5180_密封圈等。

5 構(gòu)建關(guān)鍵產(chǎn)品型譜，用“三化”引領(lǐng)結(jié)構(gòu)專業(yè)未來發(fā)展方向

至此，慣性產(chǎn)品“三化”設(shè)計的實踐多是對現(xiàn)有設(shè)計成果的繼承、提煉和總結(jié)，滿足的多是實際型號工作的需要，解決問題的出發(fā)點是型號任務(wù)繁多與設(shè)計師人才隊伍嚴(yán)重不足的矛盾。但是隨著新時期我軍對導(dǎo)彈武器裝備的新要求，轉(zhuǎn)型升級期軍工單位越來越多的參與到市場競爭中，型號任務(wù)、預(yù)研課題和市場項目層出不窮，如何在現(xiàn)有的人力資源配置下保質(zhì)保量地完成設(shè)計任務(wù)，是管理者不得不思考的新課題。識別出關(guān)鍵產(chǎn)品，構(gòu)建關(guān)鍵產(chǎn)品型譜，用幾乎覆蓋所有條件的產(chǎn)品型譜（或模塊）來滿足不同背景下的環(huán)境適應(yīng)性、體積、重量等要求。將優(yōu)選產(chǎn)品進(jìn)一步上升為直接選用的成熟貨架產(chǎn)品，設(shè)計單位應(yīng)集中精力進(jìn)行關(guān)鍵產(chǎn)品型譜的搭建和對型譜內(nèi)的產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化、升級，也就是用設(shè)計“三化”引領(lǐng)結(jié)構(gòu)專業(yè)的發(fā)展方向。

結(jié)合我們結(jié)構(gòu)專業(yè)自身工作實際，識別出捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)和減振器為關(guān)鍵產(chǎn)品，為捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)和減振器構(gòu)建了產(chǎn)品型譜，通過持續(xù)的研發(fā)和設(shè)計，逐漸補(bǔ)充型譜中產(chǎn)品的空缺。

5.1 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)型譜

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)一般由3個速率陀螺、3個線加速度計和微型計算機(jī)組成，是目前主要應(yīng)用在導(dǎo)彈上的導(dǎo)航系統(tǒng)。速率陀螺的體積遠(yuǎn)大于線加速度計，在型譜構(gòu)建時以速率陀螺種類作為橫軸，以具體使用要求作為縱軸。速率陀螺又分為激光陀螺和光纖陀螺，每種陀螺按照精度又分為不同型號；具體使用要求包括系統(tǒng)是否減振，體積上是綜合最優(yōu)還是單方向最優(yōu)，單方向最優(yōu)又分為X、Y、Z方向最優(yōu)。所構(gòu)建的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的型譜見表4。

表4 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)陀螺型譜

5.2 減振器型譜

減振器選用手冊給出了45種已經(jīng)研制成功的減振器，但是減振器對自身系統(tǒng)的負(fù)載較為敏感，對于環(huán)境要求較高的特殊減振器，減振器選用手冊中的往往就不能夠滿足使用要求。因此建立滿足所有研制要求的減振器型譜就顯得十分重要。我們以減振器型譜中減振器類型作為橫軸，以減振器的研制要求作為縱軸；每類減振器又分為5種規(guī)格：小、中下、中、中上、大。研制要求包括：頻率要求、耐沖擊型、耐振動型。減振器型譜見表5。

表5 減振器型譜

6 效果與啟示

上述“三化”工作在慣性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的開展產(chǎn)生了很好的效果。嚴(yán)格按照頂層規(guī)范體系建立的各類報告模板，在報告的編寫過程中利用率接近100%，設(shè)計師和分析師能夠嚴(yán)格按照模板中的內(nèi)容進(jìn)行編寫，設(shè)計輸出對設(shè)計輸入的覆蓋性大幅度提升。各類選用手冊和模型庫的應(yīng)用情況有所差別，電路板鎖緊裝置和固定夾的選用率接近100%，大大降低了這兩類零件的種類，提高了這兩類零件的通用性。減振器和密封圈的選用率超過60%，特別是價格比較高的減振器的選用，極大地緩解了減振器拖延科研生產(chǎn)的局面，僅此一項，節(jié)約研制成本就在百萬元以上。慣導(dǎo)系統(tǒng)通用結(jié)構(gòu)的選用率偏低，約為30%左右，這與使用環(huán)境、空間布局和管理方式均有一定關(guān)系。

通過在慣性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方面開展“三化”，給了我們今后的工作以啟示。

a）“三化”工作的推進(jìn)，最開始可能是由于被動的任務(wù)量急劇增加造成的。隨著“三化”工作的深入，要由被動變?yōu)橹鲃?，嘗到“三化”的甜頭后，要從管理上進(jìn)行要求。“三化”制度化，設(shè)計人員必須使用已經(jīng)有的模板、手冊、模件庫等，對于新增加的內(nèi)容可以在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)進(jìn)行更新和擴(kuò)充，要堅決杜絕針對某個人或某個型號搞特殊化。

b）“三化”設(shè)計工作本身也會帶來一定的附加額外工作量，對于這些工作量，要有一個準(zhǔn)確的預(yù)判，這些額外的工作量要小于甚至是遠(yuǎn)小于不進(jìn)行“三化”的工作量，但卻是值得的，相對來說也是“一勞永逸”的。

c）“三化”工作必然會帶來對現(xiàn)有秩序、現(xiàn)有制度的改變，最高管理層和決策者要有清醒的認(rèn)識，要有“逢山開路、遇水架橋”的管理魄力，疏通內(nèi)部管理環(huán)節(jié)，使得內(nèi)部管理流程能夠適應(yīng)甚至促進(jìn)“三化”設(shè)計的實施。

甄瑞（1984年—），男，碩士研究生，七室，副主任/工程師，專業(yè)方向：復(fù)雜環(huán)境下產(chǎn)品的適應(yīng)性設(shè)計，現(xiàn)從事慣導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及基層管理工作。

余盛強(qiáng)（1965年—），男，碩士研究生，七室，主任/研究員，專業(yè)方向：慣性產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計、減振設(shè)計和熱設(shè)計等，現(xiàn)任所結(jié)構(gòu)專業(yè)副總師。

姚建軍（1974年—），男，博士研究生，七室，副主任/研究員，專業(yè)方向：建模與仿真，現(xiàn)從事慣性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真分析工作。