航天發(fā)射場(chǎng)特種機(jī)械設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)方法

何智穎,邢 偉,周靖凱,徐 侃

(1.國(guó)防大學(xué) 聯(lián)合勤務(wù)學(xué)院,北京 100036; 2.北京特種工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100028)

航天發(fā)射場(chǎng)特種機(jī)械設(shè)備是發(fā)射場(chǎng)的核心設(shè)備,其工作狀態(tài)直接決定任務(wù)的成功與否.長(zhǎng)久以來(lái),由于任務(wù)需求不同，裝備管理體系不夠完善,造成專(zhuān)用設(shè)備過(guò)多,型號(hào)規(guī)格復(fù)雜,互用性不高,利用率低下,同時(shí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)裝備化管理保障難度大.

隨著航天發(fā)射場(chǎng)規(guī)劃建設(shè)水平的不斷提高,發(fā)射場(chǎng)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期,必然呼喚與之適應(yīng)的設(shè)備體系.發(fā)射場(chǎng)機(jī)械設(shè)備推進(jìn)“三化”(通用化、系列化、組合化),實(shí)現(xiàn)特種設(shè)備的裝備化管理成為了發(fā)射場(chǎng)建設(shè)的新目標(biāo).模塊化設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是以較少的資源滿(mǎn)足多樣化的需求,將可靠性、維修性和保障性為核心的先進(jìn)理念應(yīng)用于設(shè)計(jì)階段,實(shí)現(xiàn)發(fā)射場(chǎng)機(jī)械設(shè)備的頂層規(guī)劃和一體化規(guī)劃.依據(jù)變型設(shè)計(jì)的有關(guān)原理,進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)，運(yùn)用功能模塊置換,使特種機(jī)械設(shè)備種類(lèi)大大減少,提高設(shè)備的互換性與適應(yīng)性,促進(jìn)設(shè)備的裝備化保障管理,從而推進(jìn)實(shí)現(xiàn)裝備的通用化、模塊化、系列化.

1 模塊化設(shè)計(jì)的基本理論

模塊化理論是對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能的設(shè)備、組織、系統(tǒng)進(jìn)行功能分析,通過(guò)對(duì)劃分出的功能模塊進(jìn)行篩選和組合,得到具有新功能的設(shè)備、組織和系統(tǒng)以滿(mǎn)足多樣化需求[1].

模塊化設(shè)計(jì)方法作為一種具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)理念和思維方法,在對(duì)設(shè)備的換代更新、組織的運(yùn)行、管理和系統(tǒng)的配置、優(yōu)化等方面發(fā)揮著巨大且不可替代的作用.用它來(lái)分析復(fù)雜事物,解決工程問(wèn)題,可使問(wèn)題簡(jiǎn)化、層次清晰,進(jìn)而得到準(zhǔn)確且條理分明的秩序和結(jié)構(gòu)[2].因此,模塊化理論及方法在機(jī)械、電工電子、船舶、建筑等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用.

1.1 模塊化相關(guān)概念

模塊是模塊化設(shè)計(jì)的基本元素,是一種實(shí)體的概念,如把模塊定義為一組同時(shí)具有相同功能和相同結(jié)合要素,具有不同性能或用途甚至不同結(jié)構(gòu)特征,但能互換的單元[2-5].模塊化一般是指使用模塊的概念對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)、生產(chǎn)組織.設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)是在對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的設(shè)備進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上,劃分并設(shè)計(jì)出一系列模塊,通過(guò)模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的設(shè)備,以滿(mǎn)足發(fā)射場(chǎng)不同需求的設(shè)計(jì)方法.

模塊化涉及兩個(gè)基本過(guò)程:模塊創(chuàng)建過(guò)程和模塊配置過(guò)程,如圖1所示.模塊創(chuàng)建是依據(jù)某種標(biāo)準(zhǔn)把設(shè)備創(chuàng)建成以模塊為基本構(gòu)成單元的過(guò)程,是模塊化設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ),對(duì)其處理是否合理直接影響設(shè)備的功能、性能和成本;而模塊配置是在綜合分析需求的基礎(chǔ)上,在設(shè)備設(shè)計(jì)約束的調(diào)控下,通過(guò)對(duì)不同功能、性能的模塊組合的可能性以及合理性進(jìn)行評(píng)價(jià),進(jìn)而配置出滿(mǎn)足個(gè)性化需求設(shè)備的過(guò)程.

圖1 模塊化示意圖Fig.1 Structure graph of modularization

1.2 模塊化設(shè)計(jì)的理論支撐

作為一種新的方法論,模塊化系統(tǒng)的分析、建立與實(shí)施需要一定的理論為指導(dǎo).如圖2所示,系統(tǒng)論理論、相似性理論和標(biāo)準(zhǔn)化原理可歸納為實(shí)施模塊化的基本支撐理論[4-9].

圖2 支持模塊化的基本理論體系Fig.2 Structure graph of basic theory system supporting modularization

1.2.1系統(tǒng)論理論

任何模塊化的事或物都可看成是一個(gè)系統(tǒng),開(kāi)展模塊化工作,只有善于運(yùn)用系統(tǒng)論的原理才能取得良好的系統(tǒng)效果.整體性是系統(tǒng)的最基本屬性,把系統(tǒng)作為有機(jī)整體看待,構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)要素雖然具有不同的性能,但他們都是由邏輯統(tǒng)一性的要求構(gòu)成整體.系統(tǒng)內(nèi)各單元之間是互相聯(lián)系、互相作用、有機(jī)結(jié)合的,系統(tǒng)與環(huán)境、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間也存在相互聯(lián)系和相互作用.在模塊化系統(tǒng)中,這種相關(guān)性體現(xiàn)為系統(tǒng)中的鏈狀的接口系統(tǒng),如模塊之間的機(jī)械接口、電氣接口、機(jī)電接口、各種物理量與電量的接口、信息接口等.只有充分考慮各接口之間的協(xié)調(diào)與匹配性,才能保證系統(tǒng)整體良好質(zhì)量及可靠性.運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析方法,對(duì)模塊化系統(tǒng)內(nèi)各單元之間既有關(guān)系、空間排列順序及組合的具體型式、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、功能間的聯(lián)系進(jìn)行分析考慮.

由于模塊化系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)層次特點(diǎn),且模塊化系統(tǒng)并非建立后一成不變,它會(huì)隨著技術(shù)和時(shí)間的發(fā)展而不斷吸收新技術(shù)、新模塊.因此,層次性原理與層次分析法、動(dòng)態(tài)性原理與動(dòng)態(tài)思維法的合理運(yùn)用也是開(kāi)展模塊化分析的重要原理和手段.

1.2.2相似性理論

分析和識(shí)別大量不同設(shè)備的相似性,挖掘存在于設(shè)備和過(guò)程中的幾何相似性、結(jié)構(gòu)相似性、功能相似性,利用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化方法減少設(shè)備內(nèi)部的多樣化,提高零部件和生產(chǎn)過(guò)程的可重用性.

設(shè)備和過(guò)程中的相似性有各種不同的形式,例如零件之間的幾何相似性,設(shè)備結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)相似性,部件、設(shè)備之間的功能相似性等,這些不同類(lèi)型的相似性歸納起來(lái)將構(gòu)成模塊化系統(tǒng)的基礎(chǔ).

1.2.3標(biāo)準(zhǔn)化原理

在模塊化、定制化設(shè)備和服務(wù)中，存在大量可重復(fù)使用和重新組合使用的單元.通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的方法,充分挖掘和利用這些單元,將定制設(shè)備的生產(chǎn)問(wèn)題，通過(guò)設(shè)備重組和過(guò)程重組,全部或部分轉(zhuǎn)化為批量生產(chǎn)的問(wèn)題,從而以較低的成本、較高的質(zhì)量和較快的速度生產(chǎn)出個(gè)性化設(shè)備.

標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)施模塊化的基礎(chǔ)和目標(biāo)之一.模塊化也是標(biāo)準(zhǔn)化的一種新形式,它是標(biāo)準(zhǔn)化原理中簡(jiǎn)化、統(tǒng)一化、系列化、通用化、組合化等理論的綜合運(yùn)用,是標(biāo)準(zhǔn)化的高級(jí)形式.

模塊化側(cè)重于部件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化,進(jìn)而達(dá)到設(shè)備系統(tǒng)的多樣化.通過(guò)對(duì)某一類(lèi)設(shè)備系統(tǒng)的分析研究,將其中含有相同或相似的功能單元分解出來(lái)，用標(biāo)準(zhǔn)化原理進(jìn)行統(tǒng)一、歸并和簡(jiǎn)化,以通用單元的形式獨(dú)立存在,然后用不同的模塊組合來(lái)構(gòu)成多種新設(shè)備.

1.3 模塊化設(shè)計(jì)流程

實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程.模塊化過(guò)程并非孤立的、一成不變的,而是隨著情況不斷變化的過(guò)程[10].模塊化過(guò)程既包含了模塊的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程,又包括對(duì)生產(chǎn)技術(shù)的規(guī)劃、實(shí)施、協(xié)調(diào)等過(guò)程.設(shè)備模塊系列也跟隨著研發(fā)水平的發(fā)展而實(shí)時(shí)更新,其流程如圖3所示.

圖3 模塊化設(shè)計(jì)流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of modular design process

(1) 需求管理.新設(shè)備開(kāi)發(fā)的動(dòng)力往往來(lái)源于新的任務(wù)需求.需求的多樣化發(fā)展要求涉及團(tuán)體將需求信息集中進(jìn)行管理,包括需求轉(zhuǎn)換及需求信息統(tǒng)計(jì)分析等,根據(jù)客戶(hù)需求的趨勢(shì)性發(fā)展來(lái)指導(dǎo)新設(shè)備開(kāi)發(fā).

(2) 模塊劃分.選擇系列設(shè)備,分析設(shè)備總功能,將其分解為多個(gè)子功能并進(jìn)行功能到結(jié)構(gòu)的映射,根據(jù)模塊化劃分原則對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊劃分,并定義模塊特征屬性參數(shù),同時(shí)在三維設(shè)計(jì)環(huán)境中完成實(shí)體建模,將模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到模塊庫(kù)中.

(3) 模塊數(shù)據(jù)管理.設(shè)備模塊是組成設(shè)備的基礎(chǔ),在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分利用現(xiàn)有模塊資源,是降低設(shè)計(jì)成本,提升模塊化效益的保證.為了使設(shè)計(jì)人員能快速檢索并選用合適模塊,建立模塊庫(kù)是簡(jiǎn)單而有效的方法.通過(guò)定義模塊特征屬性參數(shù)及模塊間約束關(guān)系,利用檢索規(guī)則進(jìn)行模塊檢索.

(4) 模塊配置.根據(jù)具體需求結(jié)合配置規(guī)則庫(kù),檢索出符合設(shè)計(jì)要求的模塊,并對(duì)模塊進(jìn)行組合、替換,完成設(shè)備模塊配置方案.配置規(guī)則庫(kù)的建立需要對(duì)企業(yè)長(zhǎng)期積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸納總計(jì).

(5) 方案評(píng)價(jià).在方案評(píng)價(jià)之前需要構(gòu)建設(shè)備模塊配置方案評(píng)價(jià)體系,包括評(píng)價(jià)指標(biāo)擬定、評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值確定和指標(biāo)評(píng)分值的確定等.在方案評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)可能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求的多個(gè)配置方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),并將評(píng)價(jià)結(jié)果輸出,作為改進(jìn)設(shè)計(jì)或選擇配置方案的依據(jù).

(6) 輸出最優(yōu)方案.通過(guò)對(duì)多個(gè)方案的綜合評(píng)價(jià),選擇最優(yōu)方案輸出,完成模塊設(shè)計(jì)方案[11].

2 特種機(jī)械設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 航天發(fā)射場(chǎng)特種裝備研發(fā)流程特點(diǎn)

航天發(fā)射場(chǎng)特種機(jī)械設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)主要圍繞航天發(fā)射任務(wù)進(jìn)行,以任務(wù)需求為依據(jù)，進(jìn)行計(jì)劃制定，設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試,其業(yè)務(wù)流程如圖4所示.

圖4 航天特種裝備研發(fā)流程圖Fig.4 Structure graph of research and development process of space special equipment

由于航天發(fā)射場(chǎng)特種裝備具有需求差異大、非批量研發(fā)的特點(diǎn),多數(shù)情況下是根據(jù)任務(wù)的具體需求對(duì)基型設(shè)備的改型設(shè)計(jì),其次是全新設(shè)備開(kāi)發(fā),設(shè)備重復(fù)生產(chǎn)情況較少.設(shè)備改型設(shè)計(jì)是在成熟設(shè)備的基礎(chǔ)上,根據(jù)任務(wù)需求與發(fā)射場(chǎng)現(xiàn)有設(shè)備存在的差異之處,對(duì)設(shè)備的相關(guān)可變型結(jié)構(gòu)進(jìn)行改型設(shè)計(jì),并進(jìn)行任務(wù)需求的個(gè)性化修改設(shè)計(jì).

2.2 模塊劃分原則

一般來(lái)說(shuō),并沒(méi)有完全統(tǒng)一的模塊劃分的原則,研究對(duì)象不同,側(cè)重點(diǎn)不同,劃分的模塊也不相同.在模塊化設(shè)計(jì)中,必須結(jié)合設(shè)備的實(shí)際情況,從系統(tǒng)角度出發(fā),應(yīng)用系統(tǒng)分析方法,以功能分析、分解為基礎(chǔ)進(jìn)行劃分,才能達(dá)到最好效果.

模塊劃分原則是指導(dǎo)模塊劃分的一個(gè)重要依據(jù),研究者們通過(guò)各種系統(tǒng)總結(jié),構(gòu)建了模塊劃分原則的三維示意圖[6-10](見(jiàn)圖5),能夠比較完整地考慮模塊劃分中的各種影響因素,明確細(xì)分了可能牽涉關(guān)聯(lián)的各種情況,具有一定的通用性和良好的指導(dǎo)作用.

圖5 模塊劃分原則示意圖Fig.5 Schematic diagram of the principle of module division

模塊化的合理劃分是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程.模塊劃分太細(xì),雖然可能組合成更多功能,但模塊的綜合過(guò)程卻較難;反之,模塊劃分過(guò)粗,雖然綜合過(guò)程較易,但易導(dǎo)致設(shè)備功能性能上的不合理.針對(duì)發(fā)射場(chǎng)特種機(jī)械設(shè)備特點(diǎn),應(yīng)遵循以下原則:

(1) 功能明確原則.設(shè)備功能是構(gòu)成模塊的依據(jù)也是進(jìn)行模塊劃分的基礎(chǔ),每個(gè)模塊單元要有明確的功能體現(xiàn),即完成一項(xiàng)或者幾項(xiàng)特定的功能.對(duì)于功能不確定的保障資源一般不劃分為單一的模塊,對(duì)劃分的模塊在保障性能上做到獨(dú)立性.

(2) 可靠性原則.模塊化在設(shè)計(jì)之初首要考慮是否提高了設(shè)備的可靠性,能否滿(mǎn)足發(fā)射任務(wù)需要.

(3) 可擴(kuò)充性原則.可擴(kuò)充性是模塊設(shè)計(jì)的重要優(yōu)勢(shì).特別是在航天發(fā)射場(chǎng),模塊化設(shè)計(jì)單元應(yīng)考慮未來(lái)保障新型號(hào)發(fā)射任務(wù)的可能性,應(yīng)預(yù)留足夠的接口和空間,以便進(jìn)一步發(fā)展.

2.3 特種機(jī)械設(shè)備模塊劃分方法

根據(jù)前文所述模塊劃分原則,模塊劃分的常用方法有面向生命周期的模塊劃分方法和面向?qū)ο蟮哪K劃分方法等.結(jié)合航天發(fā)射場(chǎng)特種機(jī)械設(shè)備研發(fā)流程特點(diǎn),本文提出適用劃分模塊的方法分別為創(chuàng)新式模塊創(chuàng)建模式和變型式模塊創(chuàng)建模式,劃分過(guò)程如圖6所示.

圖6 特種機(jī)械設(shè)備模塊創(chuàng)建總體方案圖Fig.6 General drawing for the establishment of special mechanical equipment module

創(chuàng)新式模塊創(chuàng)建模式遵循一般產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)律,同時(shí)具有自身的特點(diǎn),是從無(wú)到有創(chuàng)建模塊的過(guò)程和方法,包括模塊概念設(shè)計(jì)和模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段,這兩個(gè)階段交替進(jìn)行,直到模塊創(chuàng)建成功.模塊概念設(shè)計(jì)包括裝備功能分解、構(gòu)建功能結(jié)構(gòu)圖、功能原理求解、原理結(jié)構(gòu)求解和功能模塊劃分,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊接口設(shè)計(jì).

變型式模塊創(chuàng)建模式充分利用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)成果,最大限度地利用現(xiàn)有的模塊進(jìn)行變型設(shè)計(jì),創(chuàng)建出符合要求的新模塊,基于實(shí)例的推理技術(shù)、基于變量參數(shù)的變型設(shè)計(jì)理論是該模式的理論基礎(chǔ)和根本依據(jù).核心環(huán)節(jié)為模塊推理、模塊特征參數(shù)檢索和模塊變型設(shè)計(jì).

3 模塊化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用實(shí)例

3.1 模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)用對(duì)象

火箭測(cè)試廠(chǎng)房平開(kāi)大門(mén)(下簡(jiǎn)稱(chēng)大門(mén))能夠?qū)崿F(xiàn)大門(mén)的水平方向移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)矩形門(mén)洞的閉合與打開(kāi),是各航天發(fā)射場(chǎng)廣泛使用的一種特種機(jī)械設(shè)備,它具有抗沖擊能力強(qiáng)、工作可靠性高、制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).但是由于廠(chǎng)房需求不同,加之不同時(shí)期的設(shè)計(jì)能力、計(jì)算能力也千差萬(wàn)別,造成發(fā)射場(chǎng)大門(mén)形式多樣,裝備化保養(yǎng)困難.隨著航天發(fā)射場(chǎng)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)意義上粗大笨重、操作復(fù)雜、維護(hù)困難的廠(chǎng)房大門(mén)已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)發(fā)射場(chǎng)特種設(shè)備“三化”的要求,結(jié)合某發(fā)射場(chǎng)火箭廠(chǎng)房擴(kuò)建工程新建大門(mén),對(duì)發(fā)射場(chǎng)現(xiàn)有各種大門(mén)的功能和結(jié)構(gòu)模式，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和梳理分類(lèi),從大門(mén)系列化的角度,本著有限目標(biāo),重點(diǎn)突出的原則,研究大門(mén)的模塊化設(shè)計(jì)方法.

3.2 大門(mén)的模塊化設(shè)計(jì)流程

按照前述發(fā)射場(chǎng)特種機(jī)械設(shè)備研發(fā)流程特點(diǎn),在任務(wù)需求下達(dá)后,按如下順序開(kāi)展了相關(guān)工作:① 可行性分析;② 工藝參數(shù)確定;③ 廠(chǎng)房大門(mén)根據(jù)功能進(jìn)行模塊劃分.在產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)的范疇對(duì)廠(chǎng)房大門(mén)進(jìn)行模塊劃分.主要是根據(jù)功能進(jìn)行分解劃分,結(jié)果如圖7所示.

圖7 廠(chǎng)房大門(mén)結(jié)構(gòu)模塊劃分示意圖Fig.7 Schematic diagram of the module division of the gate structure of a factory building

3.3 大門(mén)的模塊化設(shè)計(jì)展示

基于Creo 2.0平臺(tái),對(duì)廠(chǎng)房大門(mén)進(jìn)行自頂向下的模塊化設(shè)計(jì),如圖8和圖9所示.通過(guò)特征參數(shù)化,可以實(shí)現(xiàn)模型的快速設(shè)計(jì)與修改,提高了設(shè)計(jì)效率,利于標(biāo)準(zhǔn)化和系列化.

圖8 廠(chǎng)房大門(mén)結(jié)構(gòu)三維模型圖Fig.8 3D diagram of the gate structure of a factory building

圖9 廠(chǎng)房大門(mén)驅(qū)動(dòng)三維模型圖Fig.9 3D diagram of the gate drive of a factory building

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用模塊化理論與方法，對(duì)發(fā)射場(chǎng)特種機(jī)械設(shè)備進(jìn)行模塊化分析和研究,綜合傳統(tǒng)模塊劃分方法的分類(lèi),結(jié)合特種設(shè)備的具體特點(diǎn),歸納了創(chuàng)新式和變型式模塊的方法步驟,為實(shí)現(xiàn)發(fā)射場(chǎng)特種機(jī)械設(shè)備通用化設(shè)計(jì)與系列化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持,并以火箭測(cè)試廠(chǎng)房平開(kāi)大門(mén)為研究對(duì)象,進(jìn)行了實(shí)例分析.