航天发射场特种机械设备模块化设计方法

2018-12-25何智颖周靖凯

中国工程机械学报 2018年6期

何智颖,邢伟,周靖凯,徐侃

(1.国防大学联合勤务学院,北京 100036; 2.北京特种工程设计研究院,北京 100028)

航天发射场特种机械设备是发射场的核心设备,其工作状态直接决定任务的成功与否.长久以来,由于任务需求不同，装备管理体系不够完善,造成专用设备过多,型号规格复杂,互用性不高,利用率低下,同时设备实现装备化管理保障难度大.

随着航天发射场规划建设水平的不断提高,发射场的发展进入了一个新时期,必然呼唤与之适应的设备体系.发射场机械设备推进“三化”(通用化、系列化、组合化),实现特种设备的装备化管理成为了发射场建设的新目标.模块化设计的总体目标是以较少的资源满足多样化的需求,将可靠性、维修性和保障性为核心的先进理念应用于设计阶段,实现发射场机械设备的顶层规划和一体化规划.依据变型设计的有关原理,进行通用化设计，运用功能模块置换,使特种机械设备种类大大减少,提高设备的互换性与适应性,促进设备的装备化保障管理,从而推进实现装备的通用化、模块化、系列化.

1 模块化设计的基本理论

模块化理论是对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能的设备、组织、系统进行功能分析,通过对划分出的功能模块进行筛选和组合,得到具有新功能的设备、组织和系统以满足多样化需求[1].

模块化设计方法作为一种具有创新性的设计理念和思维方法,在对设备的换代更新、组织的运行、管理和系统的配置、优化等方面发挥着巨大且不可替代的作用.用它来分析复杂事物,解决工程问题,可使问题简化、层次清晰,进而得到准确且条理分明的秩序和结构[2].因此,模块化理论及方法在机械、电工电子、船舶、建筑等行业都有广泛应用.

1.1 模块化相关概念

模块是模块化设计的基本元素,是一种实体的概念,如把模块定义为一组同时具有相同功能和相同结合要素,具有不同性能或用途甚至不同结构特征,但能互换的单元[2-5].模块化一般是指使用模块的概念对设备或系统进行规划设计、生产组织.设备的模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的设备进行功能结构分析的基础上,划分并设计出一系列模块,通过模块的选择和组合可以构成不同的设备,以满足发射场不同需求的设计方法.

模块化涉及两个基本过程:模块创建过程和模块配置过程,如图1所示.模块创建是依据某种标准把设备创建成以模块为基本构成单元的过程,是模块化设计的前提和基础,对其处理是否合理直接影响设备的功能、性能和成本;而模块配置是在综合分析需求的基础上,在设备设计约束的调控下,通过对不同功能、性能的模块组合的可能性以及合理性进行评价,进而配置出满足个性化需求设备的过程.

图1 模块化示意图Fig.1 Structure graph of modularization

1.2 模块化设计的理论支撑

作为一种新的方法论,模块化系统的分析、建立与实施需要一定的理论为指导.如图2所示,系统论理论、相似性理论和标准化原理可归纳为实施模块化的基本支撑理论[4-9].

图2 支持模块化的基本理论体系Fig.2 Structure graph of basic theory system supporting modularization

1.2.1系统论理论

任何模块化的事或物都可看成是一个系统,开展模块化工作,只有善于运用系统论的原理才能取得良好的系统效果.整体性是系统的最基本属性,把系统作为有机整体看待,构成系统的各个要素虽然具有不同的性能,但他们都是由逻辑统一性的要求构成整体.系统内各单元之间是互相联系、互相作用、有机结合的,系统与环境、系统与系统之间也存在相互联系和相互作用.在模块化系统中,这种相关性体现为系统中的链状的接口系统,如模块之间的机械接口、电气接口、机电接口、各种物理量与电量的接口、信息接口等.只有充分考虑各接口之间的协调与匹配性,才能保证系统整体良好质量及可靠性.运用结构分析方法,对模块化系统内各单元之间既有关系、空间排列顺序及组合的具体型式、结构与功能的关系、功能间的联系进行分析考虑.

由于模块化系统具有结构层次特点,且模块化系统并非建立后一成不变,它会随着技术和时间的发展而不断吸收新技术、新模块.因此,层次性原理与层次分析法、动态性原理与动态思维法的合理运用也是开展模块化分析的重要原理和手段.

1.2.2相似性理论

分析和识别大量不同设备的相似性,挖掘存在于设备和过程中的几何相似性、结构相似性、功能相似性,利用标准化、系列化方法减少设备内部的多样化,提高零部件和生产过程的可重用性.

设备和过程中的相似性有各种不同的形式,例如零件之间的几何相似性,设备结构之间的结构相似性,部件、设备之间的功能相似性等,这些不同类型的相似性归纳起来将构成模块化系统的基础.

1.2.3标准化原理

在模块化、定制化设备和服务中，存在大量可重复使用和重新组合使用的单元.通过采用标准化、系列化、通用化的方法,充分挖掘和利用这些单元,将定制设备的生产问题，通过设备重组和过程重组,全部或部分转化为批量生产的问题,从而以较低的成本、较高的质量和较快的速度生产出个性化设备.

标准化是实施模块化的基础和目标之一.模块化也是标准化的一种新形式,它是标准化原理中简化、统一化、系列化、通用化、组合化等理论的综合运用,是标准化的高级形式.

模块化侧重于部件级标准化,进而达到设备系统的多样化.通过对某一类设备系统的分析研究,将其中含有相同或相似的功能单元分解出来，用标准化原理进行统一、归并和简化,以通用单元的形式独立存在,然后用不同的模块组合来构成多种新设备.

1.3 模块化设计流程

实施模块化设计是一个动态过程.模块化过程并非孤立的、一成不变的,而是随着情况不断变化的过程[10].模块化过程既包含了模块的设计和制造过程,又包括对生产技术的规划、实施、协调等过程.设备模块系列也跟随着研发水平的发展而实时更新,其流程如图3所示.

图3 模块化设计流程示意图Fig.3 Schematic diagram of modular design process

(1) 需求管理.新设备开发的动力往往来源于新的任务需求.需求的多样化发展要求涉及团体将需求信息集中进行管理,包括需求转换及需求信息统计分析等,根据客户需求的趋势性发展来指导新设备开发.

(2) 模块划分.选择系列设备,分析设备总功能,将其分解为多个子功能并进行功能到结构的映射,根据模块化划分原则对结构进行模块划分,并定义模块特征属性参数,同时在三维设计环境中完成实体建模,将模块数据存储到模块库中.

(3) 模块数据管理.设备模块是组成设备的基础,在设计过程中充分利用现有模块资源,是降低设计成本,提升模块化效益的保证.为了使设计人员能快速检索并选用合适模块,建立模块库是简单而有效的方法.通过定义模块特征属性参数及模块间约束关系,利用检索规则进行模块检索.

(4) 模块配置.根据具体需求结合配置规则库,检索出符合设计要求的模块,并对模块进行组合、替换,完成设备模块配置方案.配置规则库的建立需要对企业长期积累的设计经验进行归纳总计.

(5) 方案评价.在方案评价之前需要构建设备模块配置方案评价体系,包括评价指标拟定、评价指标权重值确定和指标评分值的确定等.在方案评价时，对可能满足设计需求的多个配置方案进行综合评价,并将评价结果输出,作为改进设计或选择配置方案的依据.

(6) 输出最优方案.通过对多个方案的综合评价,选择最优方案输出,完成模块设计方案[11].

2 特种机械设备模块化设计关键技术研究

2.1 航天发射场特种装备研发流程特点

航天发射场特种机械设备的研发设计主要围绕航天发射任务进行,以任务需求为依据，进行计划制定，设备设计、制造、安装调试,其业务流程如图4所示.

图4 航天特种装备研发流程图Fig.4 Structure graph of research and development process of space special equipment

由于航天发射场特种装备具有需求差异大、非批量研发的特点,多数情况下是根据任务的具体需求对基型设备的改型设计,其次是全新设备开发,设备重复生产情况较少.设备改型设计是在成熟设备的基础上,根据任务需求与发射场现有设备存在的差异之处,对设备的相关可变型结构进行改型设计,并进行任务需求的个性化修改设计.

2.2 模块划分原则

一般来说,并没有完全统一的模块划分的原则,研究对象不同,侧重点不同,划分的模块也不相同.在模块化设计中,必须结合设备的实际情况,从系统角度出发,应用系统分析方法,以功能分析、分解为基础进行划分,才能达到最好效果.

模块划分原则是指导模块划分的一个重要依据,研究者们通过各种系统总结,构建了模块划分原则的三维示意图[6-10](见图5),能够比较完整地考虑模块划分中的各种影响因素,明确细分了可能牵涉关联的各种情况,具有一定的通用性和良好的指导作用.

图5 模块划分原则示意图Fig.5 Schematic diagram of the principle of module division

模块化的合理划分是个复杂的过程.模块划分太细,虽然可能组合成更多功能,但模块的综合过程却较难;反之,模块划分过粗,虽然综合过程较易,但易导致设备功能性能上的不合理.针对发射场特种机械设备特点,应遵循以下原则:

(1) 功能明确原则.设备功能是构成模块的依据也是进行模块划分的基础,每个模块单元要有明确的功能体现,即完成一项或者几项特定的功能.对于功能不确定的保障资源一般不划分为单一的模块,对划分的模块在保障性能上做到独立性.

(2) 可靠性原则.模块化在设计之初首要考虑是否提高了设备的可靠性,能否满足发射任务需要.

(3) 可扩充性原则.可扩充性是模块设计的重要优势.特别是在航天发射场,模块化设计单元应考虑未来保障新型号发射任务的可能性,应预留足够的接口和空间,以便进一步发展.

2.3 特种机械设备模块划分方法

根据前文所述模块划分原则,模块划分的常用方法有面向生命周期的模块划分方法和面向对象的模块划分方法等.结合航天发射场特种机械设备研发流程特点,本文提出适用划分模块的方法分别为创新式模块创建模式和变型式模块创建模式,划分过程如图6所示.

图6 特种机械设备模块创建总体方案图Fig.6 General drawing for the establishment of special mechanical equipment module

创新式模块创建模式遵循一般产品设计规律,同时具有自身的特点,是从无到有创建模块的过程和方法,包括模块概念设计和模块结构设计两个阶段,这两个阶段交替进行,直到模块创建成功.模块概念设计包括装备功能分解、构建功能结构图、功能原理求解、原理结构求解和功能模块划分,结构设计包括模块结构设计和模块接口设计.

变型式模块创建模式充分利用现有的设计知识和设计成果,最大限度地利用现有的模块进行变型设计,创建出符合要求的新模块,基于实例的推理技术、基于变量参数的变型设计理论是该模式的理论基础和根本依据.核心环节为模块推理、模块特征参数检索和模块变型设计.

3 模块化设计方法应用实例

3.1 模块化设计应用对象

火箭测试厂房平开大门(下简称大门)能够实现大门的水平方向移动,从而实现矩形门洞的闭合与打开,是各航天发射场广泛使用的一种特种机械设备,它具有抗冲击能力强、工作可靠性高、制造工艺相对简单等优点.但是由于厂房需求不同,加之不同时期的设计能力、计算能力也千差万别,造成发射场大门形式多样,装备化保养困难.随着航天发射场的不断发展,传统意义上粗大笨重、操作复杂、维护困难的厂房大门已经无法适应发射场特种设备“三化”的要求,结合某发射场火箭厂房扩建工程新建大门,对发射场现有各种大门的功能和结构模式，进行统计分析和梳理分类,从大门系列化的角度,本着有限目标,重点突出的原则,研究大门的模块化设计方法.