惯性产品结构设计“三化”实践

甄瑞 余盛强 姚建军

（中国航天科工集团公司三院33所，北京，100074）

三化设计

惯性产品结构设计“三化”实践

甄瑞 余盛强 姚建军

（中国航天科工集团公司三院33所，北京，100074）

文摘：通过对惯性产品设计“三化”规范体系的建立，阐述编制通用手册、模板和模型库的具体做法以及构建关键产品型谱等方面的“三化”情况，逐层介绍惯性产品结构设计“三化”的实践过程与方法，结合效果分析与启示，对“三化”设计进行总结，提出实施建议。

惯性产品；“三化”设计；型谱；模板；模型库。

通过“三化”（通用化、系列化、模块化/组合化）设计，能够起到充分利用已有研制成果、缩短研制周期、降低研制成本和提高产品质量与可靠性等作用。作为产品“三化”源头的“三化”设计，能在产品设计伊始，将“三化”的基因凝固在成品的整个寿命周期内，因此具有非常重要的意义。我所是集研究、设计、试验和批量生产于一体的导弹惯控系统专业研究所，近年来，越来越繁重的科研任务给惯性产品结构设计带来较大冲击，以往相对独立的设计方式越来越不能满足复杂、多变研制任务的要求，形成具有惯性产品鲜明特征的“三化”设计方法与实践显得越发重要和急迫。

1 建规立制，构建“三化”设计顶层规范体系

没有规矩，不成方圆。“三化”设计的重中之重就是建立一个完备的顶层规范体系，一旦体系建立，就可以按照体系有序地开展“三化”设计的各项工作，随时了解“三化”设计工作的进展和需要着力发展的方向。

惯性产品结构复杂，对结构的精度、强度、刚度、减振、防冲击、防热环境、防磁环境等均有较高要求。根据惯性产品结构设计特点，将设计分为两大类：结构设计类和仿真分析类，每个类型都有相应的规范作为顶层指导文件。这些规范都是由经验丰富的设计师团队主编，经过多次征求意见和评审后正式发布的所级标准或部门试行标准。产品“三化”设计在这些规范的指导下有序进行。其“三化”的顶层规范体系如图1所示。

2 编制“三化”通用手册、模板和模型库，促进规范体系落地生根

在实际设计过程中，规范体系的指导作用往往需要更直接的模板和选用库中的素材。设计师团队在深刻理解规范体系的要求后，梳理、总结和提炼以往的设计产品和经验，有针对性地编制设计的通用手册和模板，并借助UGNX软件建立了三维模型库。

2.1 编制结构设计报告模板

结构设计报告是结构设计的精华所在，也是设计经验的及时总结。以往结构设计报告的内容与个人编写的习惯有关，存在结构设计报告内容不完整、对设计输入覆盖性不全的问题。按照惯导系统结构设计规范的要求，经过整理后的结构设计报告模板严格对应结构任务书的要求。其内容主要有：总体设计思路、设计难点与重点，对外接口、结构形式、力学环境适应性、密封、热学环境适应性、电磁兼容、工艺性、防误差、标识、外观、防湿热、防霉菌、防盐雾、寿命、包装箱以及安装精度等设计，关键螺钉强度分析与校核，力学环境适应性、气密性、热学环境适应性、电磁兼容性的分析与验证和质量保证与控制要求分析。按照设计报告模板编写，就能得到内容完整、对设计输入覆盖全面的结构设计报告。

2.2 编制结构仿真分析报告模板

结构仿真分析报告是对结构特性的全面总结，以往的报告同样存在因人而异和内容不完整的情况。按照结构动力学仿真分析规范、热学环境建模和仿真分析规范的要求，结构动力学仿真分析报告模板和热学仿真分析报告模板记录了设计工程师与仿真分析工程师的协同配合，利用有限元数值计算方法对设计方案进行优选，并以“初步设计—仿真分析—改进设计”为基本模式对优选方案进行优化设计的循环历程，详细描述了对最终优化设计结果进行虚拟验证的有限元建模过程及计算结果等内容，报告内容详实、完整。

2.3 建立平台惯导、捷联惯导通用结构三维模型库

平台惯导系统和捷联惯导系统是我所的主要产品，由于型号任务要求不同，存在产品种类繁多、代表性不强等特点。针对这个问题，结构设计人员按照惯性器件进行分类，优选出平台惯导系统11个，捷联惯导系统64个（其中激光捷联14个、光纤捷联44个、MEMS系统6个）。所有优选出的系统均建立了三维模型库供所有设计人员直接选用，极大地提高了惯导系统的通用性，设计周期大幅缩短。

3 编制减振器选用手册

减振器在缓解产品振动、冲击等力学环境影响以及在提高系统适应性方面具有至关重要的作用，是惯性产品的重要组成部分。我所先后研制了数十种形态各异、材料各异、性能各异的减振器，为我所各类惯性产品的成功研制起到了重要作用。随着型号研制难度的增大和研制节奏的加快，减振器的成熟度对惯导系统的影响日趋明显：一是越来越多的减振器在型号研制中获得应用；二是新研减振器需要承受技术指标和研制周期的双重压力。为此，我们对具有一定继承性的减振器进行梳理，将其分为4类：柱状系列、碗状系列、环状系列和三向系列，如图2所示。

将上述梳理的结果供新型号优先考虑选用。实践证明，这是解决减振器研制难题行之有效的方法。减振器选用手册是对我所已研和在研减振器的一次全面梳理和总结，一共包括了四大类共45种不同特性的减振器，包含了弹用、陆用和水中兵器用等诸多使用环境。总体设计人员和结构设计人员可以根据手册列举的减振器的类型、基本概述、主要技术指标、结构尺寸、典型安装方式、应用情况和生产厂家等要素，准确、方便地选取与具体应用环境相匹配的减振器，达到提高研制效率和降低研制成本的目的。减振器选用手册的应用领域见表1，其特性见表2。

表1 减振器选用手册的应用领域

表2 减振器选用手册的特性

4 编制标准紧固件选用手册及各类零、部、组件模型库

4.1 标准紧固件选用手册及模型库

5.2.2 体育教师应明确“学”、“练”、“赛”之间的关系。学习是基础，练习是巩固，比赛是检验和提高。只有通过强化学习才能达到更好地学习效果。同时教师应明确适合采用竞赛教学法进行授课的内容，灵活选取教学方法进行授课。

标准紧固件在产品设计过程中使用频率很高，以往设计师根据个人习惯，随意选用标准紧固件，造成了标准紧固件种类多，单件批量小，单件成本高，订货周期长等问题。标准紧固件选用手册编写组通过对标准紧固件生产厂家调研、对所内所有型号标准紧固件的使用情况进行统计分析，优选出两种标准紧固件材料，分别适应恶劣环境和大负载。对各类惯性器件标准紧固件的选用作出详细规定，将原来3000多种标准紧固件压缩为311种，并对着311种标准紧固件建立了三维模型库，方便设计师选用。三维模型库的目录如图3所示。

4.2 电路板锁紧装置三维模型库

电路板锁紧装置是惯性产品中电路板常用的一种装夹装置。由于电路板的尺寸规格差异较大，以往的电路板锁紧装置差异也较大，很难通用。按照电路板锁紧装置设计规范的要求，将电路板锁紧装置按照电路板的尺寸进行分类，对于通用的零件进行固化设计，并建立三维模型，如图4所示；对于随电路板尺寸变化的零件进行参数化设计，同样建立了三维模型，如图5所示。

4.3 固定夹三维模型库

固定夹是惯性产品电气布线用于装夹线扎的常用零件。按照固定夹设计规范的要求，并根据实际应用情况，将固定夹分为7类（共63种）：单面固定夹、双面固定夹、单面扁平固定夹、双面扁平固定夹、侧面固定夹、侧面扁平固定夹和环型固定夹（见表3），并建立了三维模型库。

表3 固定夹种类

4.4 密封圈三维模型库

密封圈是保证惯性产品密封、不受水汽干扰的重要零件，一般由模具压制成型。按照密封圈设计规范，结合实际应用情况，将有模具的密封圈进行统计整理，并建立138种密封圈三维模型库。密封圈模型库目录包括QHy 289_10.5X3_ 5180_密封圈等。

5 构建关键产品型谱，用“三化”引领结构专业未来发展方向

至此，惯性产品“三化”设计的实践多是对现有设计成果的继承、提炼和总结，满足的多是实际型号工作的需要，解决问题的出发点是型号任务繁多与设计师人才队伍严重不足的矛盾。但是随着新时期我军对导弹武器装备的新要求，转型升级期军工单位越来越多的参与到市场竞争中，型号任务、预研课题和市场项目层出不穷，如何在现有的人力资源配置下保质保量地完成设计任务，是管理者不得不思考的新课题。识别出关键产品，构建关键产品型谱，用几乎覆盖所有条件的产品型谱（或模块）来满足不同背景下的环境适应性、体积、重量等要求。将优选产品进一步上升为直接选用的成熟货架产品，设计单位应集中精力进行关键产品型谱的搭建和对型谱内的产品进行优化、升级，也就是用设计“三化”引领结构专业的发展方向。

结合我们结构专业自身工作实际，识别出捷联惯导系统和减振器为关键产品，为捷联惯导系统和减振器构建了产品型谱，通过持续的研发和设计，逐渐补充型谱中产品的空缺。

5.1 捷联惯导系统型谱

捷联惯导系统一般由3个速率陀螺、3个线加速度计和微型计算机组成，是目前主要应用在导弹上的导航系统。速率陀螺的体积远大于线加速度计，在型谱构建时以速率陀螺种类作为横轴，以具体使用要求作为纵轴。速率陀螺又分为激光陀螺和光纤陀螺，每种陀螺按照精度又分为不同型号；具体使用要求包括系统是否减振，体积上是综合最优还是单方向最优，单方向最优又分为X、Y、Z方向最优。所构建的捷联惯导系统的型谱见表4。

表4 捷联惯导系统陀螺型谱

5.2 减振器型谱

减振器选用手册给出了45种已经研制成功的减振器，但是减振器对自身系统的负载较为敏感，对于环境要求较高的特殊减振器，减振器选用手册中的往往就不能够满足使用要求。因此建立满足所有研制要求的减振器型谱就显得十分重要。我们以减振器型谱中减振器类型作为横轴，以减振器的研制要求作为纵轴；每类减振器又分为5种规格：小、中下、中、中上、大。研制要求包括：频率要求、耐冲击型、耐振动型。减振器型谱见表5。

表5 减振器型谱

6 效果与启示

上述“三化”工作在惯性产品结构设计方面的开展产生了很好的效果。严格按照顶层规范体系建立的各类报告模板，在报告的编写过程中利用率接近100%，设计师和分析师能够严格按照模板中的内容进行编写，设计输出对设计输入的覆盖性大幅度提升。各类选用手册和模型库的应用情况有所差别，电路板锁紧装置和固定夹的选用率接近100%，大大降低了这两类零件的种类，提高了这两类零件的通用性。减振器和密封圈的选用率超过60%，特别是价格比较高的减振器的选用，极大地缓解了减振器拖延科研生产的局面，仅此一项，节约研制成本就在百万元以上。惯导系统通用结构的选用率偏低，约为30%左右，这与使用环境、空间布局和管理方式均有一定关系。

通过在惯性产品结构设计方面开展“三化”，给了我们今后的工作以启示。

a）“三化”工作的推进，最开始可能是由于被动的任务量急剧增加造成的。随着“三化”工作的深入，要由被动变为主动，尝到“三化”的甜头后，要从管理上进行要求。“三化”制度化，设计人员必须使用已经有的模板、手册、模件库等，对于新增加的内容可以在适当的时机进行更新和扩充，要坚决杜绝针对某个人或某个型号搞特殊化。

b）“三化”设计工作本身也会带来一定的附加额外工作量，对于这些工作量，要有一个准确的预判，这些额外的工作量要小于甚至是远小于不进行“三化”的工作量，但却是值得的，相对来说也是“一劳永逸”的。

c）“三化”工作必然会带来对现有秩序、现有制度的改变，最高管理层和决策者要有清醒的认识，要有“逢山开路、遇水架桥”的管理魄力，疏通内部管理环节，使得内部管理流程能够适应甚至促进“三化”设计的实施。

甄瑞（1984年—），男，硕士研究生，七室，副主任/工程师，专业方向：复杂环境下产品的适应性设计，现从事惯导系统结构设计及基层管理工作。

余盛强（1965年—），男，硕士研究生，七室，主任/研究员，专业方向：惯性产品的结构设计、减振设计和热设计等，现任所结构专业副总师。

姚建军（1974年—），男，博士研究生，七室，副主任/研究员，专业方向：建模与仿真，现从事惯性系统结构仿真分析工作。