董文靜, 趙宏安, 耿國華, 李滿榮

(西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710127)

1 引 言

隨著國防科技技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代火箭武器的產(chǎn)品用戶需求也更加多元化,如何準確有效地明確用戶需求,設(shè)計出符合客戶要求的產(chǎn)品對設(shè)計者來說尤為重要。概念設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計的重要階段,通常占用整個設(shè)計環(huán)節(jié)的75%以上[1-3]。它直接決定最終產(chǎn)品的能量、安全、經(jīng)濟等性能的優(yōu)劣程度,因此設(shè)計出滿足顧客需求的概念設(shè)計產(chǎn)品是雙基系固體推進劑設(shè)計的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)火炸藥配方設(shè)計大多是通過尋找滿足配方某種需求(或設(shè)計指標)的功能組分,再對擔(dān)任不同化學(xué)機理的相關(guān)成分進行組合搭配,最終得到配方方案。如Long Y[4]等為了研究低感度炸藥,將石墨與高能炸藥組合,在獲得較大沖擊能量的同時,又因為石墨能使炸藥能量密度減小,熱點形成的概率及靈敏度都降低,設(shè)計出了一種具有較大動態(tài)沖擊性能的奧克托今-石墨混合炸藥。William A.MacCrehan等[5]在設(shè)計無煙火藥時,了解無煙火藥的影響因素除了主要推進劑材料硝化纖維外還需要對它的添加劑硝化甘油(NG)、穩(wěn)定劑二苯胺(DPA)、硝化產(chǎn)物N-nitrosodiphenylamine(NnDPA)以及乙基中定劑(N,N′-diethyl-N,N′-diphenylurea,EC)進行準確分析設(shè)計。陸明[6]在進行高威力乳化炸藥的設(shè)計時,由于氧化劑對乳化炸藥的爆炸性能起著關(guān)鍵作用,因此轉(zhuǎn)而研究氧化劑(硝酸銨、硝酸鈉)等物質(zhì)的特性。這些文獻都體現(xiàn)了火炸藥產(chǎn)品也是以簡單的功能(如: 低感度炸藥中的降敏功能)-載體(如: 低感度炸藥中的石墨成分)的概念設(shè)計結(jié)構(gòu)模型的思想。目前,把雙基系固體推進劑配方概念設(shè)計的思想單獨提出并加以研究的報道鮮見,僅查閱到Шварц А Γ[7]在1987年莫斯科國際橡膠會議上報告了對橡膠結(jié)構(gòu)和性能進行現(xiàn)代概念設(shè)計的思想; 隨后傅圣勇[8]初步提出對水泥建立廣義的配方概念,希望全面揭示能量、質(zhì)量、成本的關(guān)系、提高水泥原料資源的配置效率。但傳統(tǒng)的雙基系固體推進劑配方設(shè)計方法中涉及的組分、性能以及功能結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系復(fù)雜,概念知識模糊、抽象,優(yōu)化設(shè)計中常會出現(xiàn)因變量成分的改變、增加而無法求解出滿足性能要求的成分含量最終解,出現(xiàn)返工,極大浪費成本。

質(zhì)量功能展開(Quality Function Deployment,QFD)是一種由顧客需求驅(qū)動的產(chǎn)品開發(fā)方法[9],在產(chǎn)品的設(shè)計和制造過程中,圍繞用戶需求,令用戶得到最大滿意度。公理化設(shè)計(Axiomatic Design,AD)是由美國Nam P.Suh教授于1990年提出的指導(dǎo)設(shè)計過程的基本公理[10],其針對用戶需求能進行功能-載體的層次映射推理,該過程十分符合現(xiàn)代化學(xué)類產(chǎn)品的設(shè)計特點。本研究結(jié)合QFD和AD的各自優(yōu)勢,根據(jù)雙基系固體推進劑配方的設(shè)計特點,提出一種基于QFD和公理化設(shè)計的雙基系固體推進劑配方概念設(shè)計模型。本研究提出的配方概念設(shè)計理論思想,可對配方進行前期的方案規(guī)劃,保證了所有產(chǎn)品方案都會有解,該設(shè)想為雙基系推進劑的配方設(shè)計提供新的思路。

2 雙基系固體推進劑配方概念設(shè)計過程

2.1 傳統(tǒng)公理化設(shè)計的分析

利用傳統(tǒng)公理化設(shè)計中功能域到載體域的"Z"型映射分解對雙基系固體推進劑配方進行設(shè)計,其過程為: 把收集到的顧客需求用質(zhì)量屋技術(shù)轉(zhuǎn)化為技術(shù)需求,再將技術(shù)需求作為功能域直接映射到載體域,按照自頂向下的循環(huán)往復(fù)的過程,直至找到最終解(配方成分)。但這種功能到載體(配方成分)的直接映射只能證明“載體(配方成分)實現(xiàn)了某種功能”,并不能說明“為什么載體(配方成分)可以實現(xiàn)此功能”。所以在功能域和載體域之間引入原理域(principle domain)、措施域(measure domain),把兩個域作為功能域與載體域之間的轉(zhuǎn)換橋梁,在符合人類思維過程的情況下,既實現(xiàn)對載體的求解,又增加產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計空間。本文即在QFD的基礎(chǔ)上,提出“功能域-原理域-措施域-載體域”的概念設(shè)計系統(tǒng)模型。

2.2 雙基系固體推進劑配方概念設(shè)計系統(tǒng)模型的建立

本文基于QFD和AD建立了概念設(shè)計產(chǎn)品模型,將產(chǎn)品在"功能域→原理域→措施域→載體域"模式下進行“Z”字形循環(huán)往復(fù)映射分解,直到映射結(jié)束,得到產(chǎn)品概念設(shè)計的方案解。該映射過程體現(xiàn)了公理化設(shè)計中的域(domains)、層級(hierarchies)、Z形映射(zigzagging)三大概念[10],采用自頂向下的方式依次向下分解。同時映射過程可分為橫向映射和縱向映射,橫向映射是指以功能域為起點,依次向原理域、措施域和載體域映射的過程,這是域間的映射; 而縱向映射是指域內(nèi)的映射,每一個域中的元素都可不斷地劃分相應(yīng)的子元素,直到可以被右邊相鄰域中元素實現(xiàn)為止,如功能域中的功能可劃分為子功能,子功能再根據(jù)是否能被子原理實現(xiàn)決定是否繼續(xù)劃分。該設(shè)計模型以層次設(shè)計的方法應(yīng)用于雙基系固體推進劑配方設(shè)計中, (1)方案管理便捷化,便于更加靈活、方便的對每個層中的元素進行修改、刪除; (2)方案準確化,對所需配方都能找到滿足性能需求的最終解; (3)方案呈多元化,可根據(jù)不同的用戶需求選取配方; (4)方案呈創(chuàng)新性,原理域、措施域的加入使產(chǎn)品方案設(shè)計的過程增加更多的創(chuàng)新性?；赒FD和AD的產(chǎn)品概念設(shè)計系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 基于QFD和AD的產(chǎn)品概念設(shè)計系統(tǒng)模型

Fig.1 The system model of product conceptual design based on QFD and AD

2.3 改性雙基推進劑域間映射關(guān)系結(jié)構(gòu)模型圖建立

以改性雙基推進劑配方概念設(shè)計為例,對功能域、原理域、措施域、載體域之間進行映射推理,得到改性雙基推進劑域間映射結(jié)構(gòu)模型圖如圖2所示。

圖2 改性雙基推進劑域間映射結(jié)構(gòu)模型圖

Fig.2 Model of modified double-base propellant structure mapping between domains

3 雙基系固體推進劑概念配方的評價方法及組分含量修正方法

完成對雙基系固體推進劑配方的方案設(shè)計(即獲得了概念配方)后,概念配方是將用戶需求運用QFD和 AD的概念設(shè)計產(chǎn)品模型,按照"功能域→原理域→措施域→載體域"的層次結(jié)構(gòu)進行“Z”形循環(huán)往復(fù)映射分解,最后得到滿足用戶性能需求的配方功能成分,形成的配方設(shè)計方案。為了選擇最優(yōu)的配方方案,需要對此概念配方的性能進行初步評價。以配方的性能、代價以及可持續(xù)發(fā)展為主要考慮因素[11-13],通過采用配方成分(組分)選取的推薦度對方案的設(shè)計結(jié)果進行評價,使推薦度成為衡量配方優(yōu)劣程度的指標,為后續(xù)配方的詳細設(shè)計提供指導(dǎo); 采用含量修正方法對配方組分進行約束,保證以最有效的含量滿足顧客需求功能。

3.1 配方組分選取推薦度評價方法

本文中雙基系固體推進劑配方組分的推薦度用該配方在組分中功能的(強弱程度)、成本代價(大小)、可持續(xù)發(fā)展(程度)性能的加權(quán)平均值來表示。

功能強弱程度: 功能強弱程度是衡量配方推薦度的重要標準,是衡量組分在配方中擔(dān)任的各項功能強弱大小的能力。如雙基系固體推進劑配方中擔(dān)任能量性能成分的功能強弱程度; 擔(dān)任增塑性能成分的功能強弱程度。根據(jù)配方中組分擔(dān)任功能能力的強弱程度,建立功能值定義表如表1所示。

表1 功能值定義

Table 1 The definition of functional numerical value

runctionalperformancedescriptionvalueintheformulaasthisfunctionindependently，andtheindispensable1．0asthefeatureofstrongcapacityintheformula0．5-0．9asthefeatureofweakcapacityintheformulation0．1-0．4withoutthecapacityofrealizingthefunction0

成本代價大小: 代價性是指獲取該組分所耗費物質(zhì)、精力。如通常為了提高配方的能量,往往加入燃燒時單位質(zhì)量放熱量大的金屬粉末。鋁、鈹為兩種可添加的金屬燃料,以添加鈹?shù)睦碚摫葲_最高,其次為鋁,但因為鈹?shù)馁Y源缺乏、價格昂貴、使用代價高,所以未得到實際應(yīng)用; 鋁的來源最廣,價格便宜,所以在推進劑等火炸藥產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。代價值定義表如表2所示。

表2 代價值定義

Table 2 The definition of cost numerical value

costperformancedescriptionvaluesourceiswide，andthepriceischeap1．0obtainingisrelativelydifficult，thepriceismoreexpensive0．5-0．9obtainingisverydifficultandveryexpensive0．1-0．4don′tget0

可持續(xù)發(fā)展程度: 可持續(xù)發(fā)展性是指該組分對于生物即環(huán)境的危害程度。如用氫化鋁和氫化鈹?shù)冉饘贇浠飦硖岣呋鹫ㄋ幠芰?雖然都能獲得高的理論比沖,但由于鈹化物為劇毒物,對環(huán)境污染嚴重,所以未得到實際應(yīng)用。可持續(xù)發(fā)展值定義表如表3所示。

表3 可持續(xù)發(fā)展值定義

Table 3 The definition of sustainable numerical value

sustainableperformancedescriptionvaluedon′tcausepollutiontoecologicalenvironment，notobviouslyimpairpeople′shealth，canrecycleandreuse1．0lessdamagetotheecologicalenvironmentandhumanhealth，mostcanberecycled0．5-0．9harmisbiggerfortheecologicalenvironmentandhumanhealth，asmallnumberofrecyclable0．1-0．4seriousdamagetotheecologicalenvironmentandhumanhealth，cannotberecycled0

配方組分的推薦度加權(quán)平均值定義如下:

R(i)=Rf(i)×wf+Rc(i)×wc+Rs(i)×ws

(1)

式中,R(i)為配方組分i的加權(quán)總推薦度,Rf(i)、Rc(i)和Rs(i)分別為組分i的功能性數(shù)值、代價性數(shù)值和可持續(xù)發(fā)展性數(shù)值;wf、wc和ws為相應(yīng)的權(quán)重值,且wf+wc+ws=1,經(jīng)過驗證,本文中的wf、wc、ws定為0.7、0.2、0.1; 權(quán)重值的大小由層次分析法[14](analysis hierarchy process,AHP)或德爾菲法[15]確定。

根據(jù)以上分析,可定義配方的推薦度計算公式如(2)式:

(2)

式中,H為配方的總推薦度;Nr為配方中組分的個數(shù),wf、wc和ws分別指功能性、代價性、可持續(xù)發(fā)展性分別在組分中的比重。

表4給出常用配方中常見高能單質(zhì)炸藥各性能推薦值如下。

表4 常見高能單質(zhì)炸藥各性能推薦值

Table 4 Recommended values of performances for common high-energy single compound explosives

acronymfunctionalnumericalvaluecostnumericalvaluesustainablenumericalvalueRDX0．70．90．7HMX0．90．50．5PETN0．80．30．2Tetryl0．60．40．4TNT0．40．90．6

3.2 組分含量的修正

配方中每個子功能需求在用戶方面的重要程度是各異的,而組分的含量對各子功能的影響十分重要,因此合理的利用、分配組分含量對最大限度滿足用戶需求來說是相當必要的。

設(shè)有m個組分的配方(1個或多個組分對應(yīng)同一種功能),不出現(xiàn)一種組分對應(yīng)不同的功能結(jié)構(gòu),組分之間滿足獨立性和完整性。

(1) 選取每種功能下,措施域映射的所有載體使用頻率最高的20%。

(2) 對這些載體含量按照所對應(yīng)功能的權(quán)重大小計算組分推薦的含量(這里的含量指的是整個配方總含量為100情況下,每種組分的推薦含量)。

計算方法如下:

C=100/(F1×β1+F2×β2+…+Fm×βm)

(3)

M(i)=C(Fi×βi)

(4)

式中,C表示含量指數(shù);F1,F2,…,Fm表示分別表示第1到m組分的初始推薦最小值,β1,β2,…,βm表示第1到m組方在配方中的權(quán)值大小,M(i)表示第i個組分在原始配方總含量為100情況下的推薦含量。β1+β2+βm=1,權(quán)重值的大小由經(jīng)驗分析法[14]給出。

(3) 對新的組分含量進行修正。

如果M(i)≥Fi,則組分i的含量為Fi; 如果M(i)

4 雙基系固體推進劑配方概念設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)

現(xiàn)以改性雙基推進劑為例,對概念設(shè)計方案生成模型進行說明并給出實驗結(jié)果。

4.1 改性雙基推進劑配方概念設(shè)計及分析

采用上述概念設(shè)計模型、方案結(jié)果評價方法以及含量修正方法等設(shè)計了一套適用于改性雙基推進劑計算機輔助配方概念設(shè)計的原型系統(tǒng),該系統(tǒng)具備根據(jù)用戶性能需求設(shè)計滿足其的概念配方、根據(jù)類型查詢相關(guān)配方、配方的具體查看以及用戶管理等功能,其系統(tǒng)框架見圖3,其配方概念設(shè)計系統(tǒng)主要操作流程和關(guān)鍵操作界面見圖4和圖5。

圖3 改性雙基推進劑概念設(shè)計系統(tǒng)框架圖

Fig.3 The framework map of modified double-base propellant concept design system

圖4 配方概念設(shè)計主要操作流程

Fig.4 The main operation processes of designing conceptual formulation

圖5 配方概念設(shè)計關(guān)鍵操作界面

Fig.5 The key operation interface of conceptual design for formulation

為了更方便地展示該系統(tǒng)的工作原理和過程,現(xiàn)假設(shè)需要設(shè)計一個改性雙基固體推進劑,要求: 能量性能比沖為2400～2450 N·s·kg-1; 低特征信號為無煙或微煙,力學(xué)性能要具有良好的低溫性能,燃速可控。將用戶以上需求指標輸入到配方概念設(shè)計系統(tǒng)中,系統(tǒng)依據(jù)用戶需求,根據(jù)功能-原理-措施-載體的概念設(shè)計過程模型進行映射推理,完成配方成分的選擇及各成分的含量確定。最后利用性能預(yù)估軟件對配方方案進行性能預(yù)估,如果性能滿足用戶需求,則設(shè)計結(jié)束; 若不滿足,則重新調(diào)整原理、措施、組分進行再設(shè)計。其設(shè)計結(jié)果如圖6所示,圖中顯示了配方的主要組分以及相應(yīng)的含量。

圖6 改性雙基推進劑配方設(shè)計結(jié)果

Fig.6 The design result of formulation for modified double-base propellant

經(jīng)分析,由概念設(shè)計模型設(shè)計的新配方與已測定性能配方庫中的某配方Ⅰ[14]的能量比沖很接近。二者的成分組成、各成分含量的對比及性能對比見表5和表6。

由表5可知,兩個配方的主要功能成分相同,硝化纖維(N=12%)、硝化甘油、奧克托今的主要能量成分十分接近。另外由新配方的成分組成也可以看出新配方屬于改性雙基推進劑,符合用戶需求的配方類型(設(shè)計過程中用到圖1的概念設(shè)計模型),由表5可知,由配方概念設(shè)計系統(tǒng)所設(shè)計出來的新配方經(jīng)性能預(yù)估得出的比沖與配方Ⅰ中已測定比沖相差不大。

二者的差異如下: (1)新設(shè)計的配方?jīng)]有鋁粉、碳黑,由于在設(shè)計配方時依照如前所述的用戶需求為無煙推進劑,根據(jù)產(chǎn)生煙氣的原理,在設(shè)計過程中會避免選擇鋁、鉛、高氯酸銨等物質(zhì),防止產(chǎn)生三氧化二鋁的白色固體顆粒煙霧、產(chǎn)生氯化氫白色氣體煙霧。(2)新設(shè)計的配方中加入了吉納(DINA),由于在設(shè)計配方時要求配方具有低溫力學(xué)性能,就是要有良好延伸率,因此在配方中加入相應(yīng)的增塑劑(溶劑)可使大分子的作用力降低,玻璃化溫度降低、模量降低、延伸率提高。所以在配方中加入吉納,而且吉納屬于良好的含能增塑劑,對于配方能量的提升也具有很好的作用。(3)由于要求推進劑燃速可控,故氧化銅作為雙基推進劑中十分有效的催化劑加入新配方中。(4)雖然新配方與配方Ⅰ在小含量成分上存在一定的差異,但不會特別影響配方的能量性能。因此可得出,概念配方設(shè)計系統(tǒng)在概念設(shè)計模型、配方成分推薦以及含量修正方法的運用下得出的配方是合理的。

表5 新設(shè)計配方與某配方Ⅰ的成分組成及成分含量的對比

Table 5 Comparsion of the component and its content of new design formulation and formulation Ⅰ

newdesignformulationnamecontent/%formulationⅠnamecontent/%NC(N=12．0%)50．09NC(N=12．0%)51．0NG26．92NG25．3HMX13．85HMX12．8DINA6．92aluminum42，4?dinitrodiphenylamine1．38carbonblack3oxideCu0．69C2-vaseline(VSL)0．14vaseline(VSL)-

表6 新設(shè)計的配方與某配方Ⅰ的性能對比

Table 6 Comparsion of performances for new design formulation and formulation Ⅰ

formulationspecialimpulse/N·s·kg-1signaturepropellanttypenewdesignformulation1)2444．06nosmokedoubleBaseformulationⅠ2)2445．86smokedoubleBase

Note: 1) specific impulse estimated; 2) specific impulse determined.

由系統(tǒng)設(shè)計的某兩種雙基推進劑配方A與配方B,其主要性能指標密度都為1.6 g·cm-3,爆熱都為3640 kJ·kg-1,為了選擇最優(yōu)的配方,對兩配方的功能值、代價值、可持續(xù)發(fā)展值進行確定,并計算配方推薦度,如表6所示,由于配方A的推薦度3.93大于配方B的推薦度3.914,因此配方A為較優(yōu)配方。

雙基系固體推進劑配方概念設(shè)計系統(tǒng)通過對用戶關(guān)于配方的需求進行歸納、整理,繼而總結(jié)為一般的技術(shù)功能需求,通過結(jié)合配方設(shè)計專業(yè)知識推理映射出相應(yīng)實現(xiàn)此功能的原理、措施,進而得到配方的具體組分,并對其含量進行修正,利用綜合評價方法進行方案優(yōu)選,最終得到符合相應(yīng)性能指標的概念設(shè)計方案。實驗結(jié)果表明,采用本研究的配方概念設(shè)計模型和配方評價以及含量修正方法給出的概念配方能為后續(xù)配方詳細設(shè)計工作起到指導(dǎo)作用。

表6 配方A和配方B的推薦度對比

Table 6 Comparsion of recommended degree of formulation A and formulation B

basicinformationcompositioncontent/%theamountofplaninformationfunctionalnumericalvaluecostnumericalvaluesustainablenumericalvaluerecommendeddegreeformulationANC?120540．90．850．8NG270．90．80．6DNT150．70．750．2VSL20．90．20．6oxideCu20．80．90．73．93formulationBNC?120570．90．90．8NG280．90．820．6centralite110．90．60．6DNT110．70．70．2VSL10．90．10．63．914

5 結(jié) 論

(1)將質(zhì)量功能展開與公理化設(shè)計的優(yōu)勢相結(jié)合,根據(jù)雙基系固體推進劑配方的產(chǎn)品需求,提出一種基于QFD和公理化設(shè)計的雙基系固體推進劑配方概念設(shè)計系統(tǒng)模型,并利用配方概念設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計的一則改性雙基推進劑配方實例展示了該模型在推進劑配方概念設(shè)計系統(tǒng)中的運用效果。結(jié)果表明該模型能夠有效地對用戶需求實施映射分解,最終獲取滿足用戶需求指標的配方最終解(配方成分)。

(2)提出了雙基系固體推進劑配方組分的評價方法和組分含量修正方法。通過實驗表明,在其支持下,可以設(shè)計出在最低成分含量下滿足用戶性能的配方,并根據(jù)評價指標對配方進行優(yōu)選。兩種方法的應(yīng)用既避免了實際配方時的浪費,又對設(shè)計者的決策選擇起到了指導(dǎo)作用。

(3)相較于傳統(tǒng)的配方設(shè)計方法,前期概念設(shè)計的引入,能夠通過由功能需求到載體成分的映射過程保證配方一定有方案解,避免了生產(chǎn)中的重復(fù)返工; 而且通過用戶需求的科學(xué)規(guī)劃設(shè)計能大量地減少詳細設(shè)計的工作量,縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期,為雙基系固體推進劑配方設(shè)計領(lǐng)域提供了一種新的切實可行的方法。

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