基于产品设计理论的飞航弹概念设计及综合优化

现代飞行器设计需求逐渐多元化和高标准化，在概念设计阶段需要加以权衡的学科不断增多，随之产生的大量设计耦合使设计问题趋于复杂，如在对客机进行降噪设计的同时飞机重量急剧上升。传统的处理方法是根据经验的关系公式与决策方法对性能进行折衷，随着计算技术的发展，数值模拟与MDO技术成为当前主要的手段，如在MD0中结合经验方法与高保真度的数值建模处理气动／结构耦合问题，采用数据挖掘技术提高寻优能力等。本文在设计过程中运用公理设计与TRIZ理论，减少设计耦合，通过功能分解降低设计难度，将归纳出的设计参数作为设计变量参与多学科优化，提高一体化设计质量。

1 公理设计与TRIZ理论

    公理设计理论是美国麻省理工学院Nam Suh教授建立的理论体系，研究正确进行设计决策及对比设计优劣的方法。公理设计将产品设计问题分为四个域，分别是用户域功能域、物理域和工艺域，每个域中都对应各自的设计元素，即用户需求CN(Custom Needs)，功能要求FR(Function Requirements)，设计参数DP(Design parameters)和工艺变量PV(Process Variables)。产品设计过程就是彼此相邻两个域之间参数相互转换的过程。两个设计公理(功能独立性公理和信息最少公理)作为评判设计好坏和优劣的依据。独立公理维护功能要求之间的独立性，即当有两个或更多功能需求(FRs)时，设计结果必须是能够满足功能需求中的每一个而不影响到其他的功能需求。那意味着必须选择一组正确的DPs去满足FRs和保持它们的独立性。信息公理要求设计包含信息量力求最少。减少设计信息量的方法包括使系统范围处在设计范围之内以及在物理部件中集成DPSL。

    TRIZ理论是由苏联发明家根里奇·阿奇舒勒(Genrich S．Altshuller)提出的一套具有完整体系的发明问题解决理论和方法。TRIZ理论将矛盾分为技术矛盾和物理矛盾。技术矛盾是指系统一个方面得到改进时，削弱了另一方面的期望。阿奇舒勒提炼出具有普通用途的40个发明原理作为技术矛盾的解决方法。物理矛盾是指产品设计中某一部分同时所表现出两种相反的状态。从空间上分离相反的特性等四条分离原理是物理矛盾的解决方法。

2 飞航弹概念设计流程

    运用设计理论进行功能分解和设计解耦，建立一体化设计流程，并进行设计实验。

2.1 设计阶段划分

    根据公理设计的“之”字形映射关系，从导弹顶层功能域开始向物理域映射，并运用信息公理，将映射到物理域中的DPs集成到部件中以减少信息量，通过对导弹功能的逐级分解，将概念设计阶段划分为三个阶段，导弹各部件的设计参数逐级详细(见图1)。

图1. 飞航弹概念设计流程图

2.2 第一轮设计

    首先将文献中列举的技战术要求映射为顶层物理域中的功能要求(见表1)，第一轮设计将功能域中的顶层功能需求向物理域中映射，即对设计方案中最高层次的物理特征进行设计，使其满足功能需求或者技术指标。第一轮设计的设计方程见公式1：

   

    设计方程中功能需求与设计参数见表1：

表1. 第一轮设计中的映射关系

设计矩阵(公式1)中非零元素代表相应的功能需求与设计参数存在耦合，非对角线上的耦合关系应尽可能将其解耦或者降低它们的耦合程度，使整个设计逼近无耦合设计或解耦设计。对于这些公理设计理论发现的设计矛盾，使用TRIZ原理尝试解决。

    1)低可探测外形与战斗部设计的解耦：空间分离原理是将矛盾双方在不同的空间上分离开来以获得问题的解决或降低问题解决难度的方法，运用该原理将“低可探测”与“战斗部”对弹身的设计要求分开，。弹身上下表面最小法线斜率角φ1／φ2”对应“低可探测”功能需求，“弹身内切圆半径R”对应“战斗部”功能需求，这样增大或者减小圆柱形战斗部半径都不会影响弹身表面的散射方向，设计矩阵中的元素A41变为零。

    2)低可探测外形与导引头设计的解耦：分割原理是将物体分割成独立的部分或使物体成为可组合的以消除技术矛盾的方法，运用该原理将弹头分割为旋成体与切成体两段，旋成体段与用于配合导引头的直径，切成体段在为其他装置提供容积的同时易于进行低可探测外形的设计，最终使低可探测外形与导引头设计的耦合程度降低，使设计矩阵中的元素A43趋于零。

    3)冗余设计的处理：设计矩阵中DPs数目多于FRs数目，这样的冗余设计较难进行分析、层次分解和实现，TRIZ中的多用性原理使物体或物体的一部分实现多种功能以代替其他部分的功能，以此降解技术矛盾。由于缩减反射波强度的手段中包括通过翼身之间的光滑过渡缩减行波回波，运用多用性原理可将DP5“翼身融合减阻”集成到DP4“控制反射波方向与强度”中，使设计矩阵中的元素A55／A65趋于零，并使得DPs数目等于FRs数目。

    通过消除部分设计耦合，第一轮设计矩阵得到改进，改进后的设计方程如公式2，映射关系见表2。此时的设计方程(公式2)较原先的设计方程(公式1)更接近公理设计的要求，设计的耦合程度得到降低。之后由物理域向工艺域映射的过程是通过将DPs集成到部件实现的，这些部件包括弹头、弹身、弹尾、弹翼、舵面和进气道(见表3)。

   

表2. 改进后第一轮设计中的映射关系

2.3 第二轮、第三轮设计

    根据“之”字映射关系，由第一轮DPs出发考虑第二轮功能分解，进而获得第二轮以特征为主的参数。继续向下分解得到工程实用性较强的第三轮设计参数，如倒角圆半径、翼尖斜切角、进气道参数等。三轮设计的参数集合如下：

表3. 概念设计参数集合

图2. 方案外形及雷达反射特性

    根据一体化设计流程以隐身设计要求为目标，进行隐身飞航弹的概念设计试验得到与Strom Shadow外形接近的设计方案。升阻比与雷达反射截面分别达到5.8和1.11／dBm2。

3 综合优化算例

    对于综合优化中设计变量较多的复杂优化问题，本文分阶段的设计流程提供了简化问题的思路，优化策略如图3，即第一级优化针对布局外形参数，第二级优化按第一级优化结果，对第二轮参数进行优化；第三级优化按之前两轮优化结果对第三轮参数进行优化，{X1}，{X2}，{X3}分别表示设计流程中第一、二、三轮设计参数。

图3. 优化策略及适应值历程图

    算例采用遗传优化方法，以气动／隐身综合性能为优化目标，设计方案的分级优化结果与单级优化结果对比如图3，其中1~19代为第一轮优化、20~50代为第二轮优化、51~70代为第三轮优化，可见基于产品设计理论的分级优化策略取得了更好的优化结果。多极优化最优个体的升阻比与雷达反射截面分别达到6.67和0.90／dBm2(如图4)。

图4. 多级优化结果

4 结论

    产品设计领域的设计理论为现代设计要求下的飞航弹概念设计提供了新的思路，公理设计与TRIZ理论的应用能够发现并消除设计过程中的部分耦合，为复杂设计任务的功能分解以及分阶段设计流程的建立提供理论依据。算例结果说明基于产品设计理论的一体化设计方法不但使设计过程得到简化，而且提高了设计质量。

(本文不涉密)
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