火炮模块化设计

在国际形势日趋复杂的今天，我国国防为国家的安全提供了重要保障。火炮作为重要的地面常规武器，它担负着保卫我国的陆、海、空安全的任务，火炮的先进性是威慑和打败敌人地面进攻的最有效的手段之一，而要保持火炮的先进性，必须加快新型火炮的研制步伐，缩短火炮的研制周期。“模块化设计”是欧美国家50年代提出的一种新的设计概念和设计方法。这种方法具有采用互换性的一定功能和联接要素的单元进行组合而形成产品的特征，它强调以功能分析为基础，以市场预测为先导，把功能不同或功能相同而性能不同的模块进行组合和互换，形成多种通用、变形的产品，使产品系列具有很大的适应性。这种设计方法的一个明显的优势就是不仅能满足用户多品种的要求，而且缩短设计周期，使企业在市场竞争中掌握主动权。“模块化设计”是一种着重解决产品品种、规格与设计周期、成本之间的矛盾的设计方法。具体一点,“模块化设计”是一种使性能不同而具有一定功能或用途的同类部件（或组件）之间的联系尺寸（结合要素）标准化，而部件具有很强的互换性，便于组装的设计方法。也有很多人认为:在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过功能模块的选择和组合就可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求，这种设计方法称为“模块化设计”。火炮模块化设计”以其能缩短火炮研制周期、加快火炮研制步伐、便于后勤保障、可以降低火炮研制成本等优点而得到发展。一、 模块化设计方法与传统设计方法的关系模块化设计是以传统设计为基础的，传统设计方法中也蕴含着模块化设计的思想，但是，模块化设计的火炮与传统方法设计的火炮有些区别:传统设计是以部件或组件为单位进行设计、生产和管理的,而模块化设计是以功能模块为单位进行设计、生产和管理的;按照模块化设计所划分的功能单元可能不同于原来的部件或组件，这是因为部件和组件的划分是以结构完整完整性为依据的，而模块则更强调功能的独立性。例如:在本课题中，模块划分时，把反后坐装置和火炮通常的后坐部分都划分在后坐模块一个模块中,在设计和生产管理时，把它们作为一个整体来考虑，而传统的设计则是把反后坐装置和后坐部分分开来考虑，有时还可能把后坐部分分解为下级组成部件考虑。二、 模块化设计的过程模块化设计的过程大致可分为：（1）对用户提出的要求进行功能分析（市场调研）；（2）模块的划分；（3）模块的创建；（4）模块的综合（总功能及性能的钡U试）；（5）组合产品。1模块化设计的准备与规划产品模块化设计的重要目的之一就是以尽可能少种类和数量的模块组成尽可能多种类、规格的产品，即以最小的成本满足市场的各种不同需求。因此，在进行产品的模块化设计之前，必须在市场调研和用户需求分析的基础上进行充分的准备和周密的规划，合理确定产品型号和主要参数，合理确定模块的种类。具体来讲,市场调查的内容主要包括：1）市场对不同功能、性能、参数、造型或价格的同类产品的需求比例及其发展趋势。例如:军方现阶段对不同口径、不同性能的火炮的需求,都决定着模块化设计中模块的种类。2） 采用模块化设计的可行性、优越性，以及新设计带来的成本变化对保持或占领市场的预测。3） 国内外同类产品的发展趋势，新技术应用的可能性,新产品开发中的关键技术及解决的办法和风险程度等。2模块的划分进行模块化设计，首先必须把产品划分成若干模块，再以模块为基本单元进行设计，模块必须具有通用性、可互换性和标准化的特点。模块划分的合理性模块化产品的性能、外观以及模块的通用程度和成本均有很大影响。模块的划分是以功能分析为基础的，模块划分时，既要照顾制造管理方便，具有较大的灵活性，避免模块组合时产生混乱，又要考虑到该模块系列将来扩展和向专用、变形产品的辐射。划分的好坏直接影响到模块系列设计的成功与否。3模块的创建模块化设计的关键是要设计一组能同时满足基型设计和变型设计要求的模块，因此，模块的创建首先必须通过分析用户提出的功能要求，进行功能分解与组合，实现从功能到结构概念的过渡。可以说，模块创建是模块化设计的核心内容，也是决定模块化设计方案优劣的重要过程。任何产品都是由一系列零部件组成，但产品功能与其零部件结构之间有着错综复杂的相互关系，从而造成了模块创建过程的复杂和困难。4模块的综合通过选择具有不同分功能的模块，评价它们组合的可能性和合理性，进而组合成具有特定的总功能及某些特殊功能或特性的系统或产品的方法称为模块的综合。模块的综合既可以用于系统或产品的组合过程，又可以用于模块系统的设计过程。三、模块化设计在火炮设计中的应用火炮设计根据设计的目的不同，一般可以分为两种类型：全新设计（基型设计）:该设计类型的火炮所需的模块都要重新设计；改进型设计:该设计类型的火炮只有个别的模块需要改进，要重新设计，而其它模块不必重新设计。1模块化设计在火炮基型设计中的应用基型设计需要考虑到许多结构方面的问题，不仅要把模块（部件）的各种存在的结构形式包括进去，而且必须考虑到由于设计水平、制造技术水平的提高等因素而导致比较先进的模块出现，设计者应该保证这些可能在将来出现的模块能够应用在该基型炮或其改进型火炮中。可以把火炮模块分为起落模块和炮架模块，在二级模块划分时，起落模块又可以进一步分为:后坐模块、摇架模块和平衡机模块:炮架模块又可以进一步分为:基础支撑模块、火炮运动模块和回转模块。完成模块划分之后进行模块系统的技术设计，下面就其中一些设计中的细节及关键问题作简单介绍。1）后坐模块后坐模块是火炮中最重要的模块之一，它一般包括:身管、炮口装置、炮尾、炮门和反后坐装置（一般包括驻退机和复进机），把身管口径的大小作为主参数，将该模块按主参数的大小，划分区段，在每一区段中，后坐模块又可以设计为以下这些形式:考虑反后坐装置的形式，可以分为:筒后坐的和杆后坐两种形式;考虑反后坐装置的布置形式，可以分为：（1）反后坐装置对称地分布在炮身的上方，（2）反后坐装置对称地分布在炮身的上下方，⑶反后坐装置布置在摇架下方，（4）驻退机和复进机两者合为一体成为驻退复进机。至于炮门的形式，在下级模块的划分时再予以考虑。因此,可以把后坐模块按身管口径分为六个档次:20mm--40mm，40mm--70mm70mm--110mm，110mm--160mm，160mm--220mm1，220mm--280mm。这样,后坐模块共有48种模块。2） 平衡机模块按弹性元件的不同，平衡机可分为弹簧式和气压式两种;按作用力方向的不同，平衡机又可分为拉式和推式两种。因此，火炮中的平衡机大体可分为以下四种：弹簧推式平衡机、弹簧拉式平衡机、气体推式平衡机、气体拉式平衡机。3） 摇架模块摇架按其形状可以分为:筒形摇架、槽型摇架和组合摇架。我们将摇架模块所能承受的最大后坐阻力的大小（主要考虑摇架的强度）作为该模块的主参数，将该模块分为六个档次。这样，摇架模块共有18种模块。4） 回转模块回转模块一般包括:上架、高低机、方向机、瞄准机等，按照上架形式的不同，可以把回转模块分为如下形式:（1）长立轴的上架，（2）短立轴的上架，（3）带防撬板的上架。我们将回转模块所能够承受的最大后坐阻力的大小（主要考虑上架的强度）作为该模块的主参数，将该模块的主参数分为六个档次。这样，回转模块共有18种模块。5） 基础支撑模块基础支撑模块一般包括:下架、大架。按照大架数目的不同,可以把基础支撑模块按照大架的形式分为:（1）单脚型的，（2）两脚型的，（3）三脚型的等等。我们将基础支撑模块能够承受的最大后坐阻力的大小（主要考虑火炮射击时的静止性和稳定性以及下架、大架的强度等）作为基础支撑模块的主参数，将基础支撑模块的主参数分为六个档次。这样，基础支撑模块共有18种模块。6） 火炮运动模块火炮运动模块一般包括:运动体和缓冲器。火炮运动模块按其介质可分为：充气式轮胎和海绵轮胎。其中缓冲器一般都是扭杆式缓冲器。我们将运动模块所能承载的最大有效重量作为运动模块的主参数，将运动模块的主参数分为个档次。这样，运动模块模块共有12种模块。火炮模块化设计（基型设计）的一般过程是:首先对用户（军方）的需求进行功能分解，经分析后得到内弹道参数、火炮性能参数和运动参数，其中，内弹道参数是设计者选择后坐模块的依据，运动参数是选取火炮运动模块的依据，而性能参数（包括使用性能参数、射击性能等）是选取某些与性能参数有关的模块的依据（可以以高低射角为依据初步选取摇架模块，以方向射角为依据初步选取回转模块），同时也是检验火炮性能的依据参数:在有初步设计结果出现时，要用性能参数来衡量设计结果是否满足设计要求，如果满足，则该设计结果可以成为最终模块化设计结果，否则，就需要重新返回到设计的中间过程，根据不满足的参数情况，重新选取某些模块，如:若火炮（设计结果）仅仅不满足射击时的静止性，应考虑重新选取基础支撑模块;若火炮（设计结果）同时不满足方向射角和射击时的稳定性时，需要重新选取回转模块，等等。2火炮模块化设计在火炮改进型设计中的应用改进型设计的工作量比全新设计的工作量要小一些，用户只要改进或更换部分模块即可（这里假设需要改进的基型火炮己采用了模块化设计方法），如果模块数据库中存在有满足用户特定功能（模块改进后应具有的功能）要求的功能模块，那么，就可以直接进行模块的综合了:如果模块数据库中不存在这