陳 歡 ,王斗輝

(1.中國船舶集團有限公司 第705 研究所,陜西 西安,710077;2.中國電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗研究所,廣東 廣州,615123)

0 引言

隨著使用方對魚雷裝備可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性以及環(huán)境適應(yīng)性等通用質(zhì)量特性要求的提高,魚雷型號研制中可靠性設(shè)計工作也在逐步深入和規(guī)范,但魚雷在內(nèi)外場試驗中仍會暴露出產(chǎn)品可靠性問題,究其原因之一是可靠性設(shè)計與性能設(shè)計存在脫節(jié)現(xiàn)象[1],即在設(shè)計方法、產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)和工作進度等多方面不同步或“重性能輕可靠性”,導(dǎo)致魚雷產(chǎn)品出現(xiàn)故障頻出、設(shè)計改進難度大、成本高以及周期長等問題。因此,在有限的研制周期內(nèi),要同時滿足魚雷裝備的功能性能要求和以可靠性為中心的通用質(zhì)量要求,就需要合理構(gòu)建可靠性與性能一體化設(shè)計方法,提升設(shè)計能力和設(shè)計效率,將可靠性設(shè)計切實融入產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計中,使魚雷裝備產(chǎn)品不僅具有先進的性能指標(biāo),而且能做到高可靠、好保障。近年來,性能與可靠性一體化設(shè)計已成為裝備可靠性工程領(lǐng)域的一個重要方面,但水中兵器行業(yè)相關(guān)研究較少。文章在借鑒航空、航天領(lǐng)域國內(nèi)外多種研究思想和方法[2-6]的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國魚雷型號研制特點,總結(jié)魚雷可靠性工程實踐經(jīng)驗,探索提出一套適合魚雷研制的可靠性與性能一體化設(shè)計的基本思路和方法。

1 可靠性與性能的關(guān)系

可靠性學(xué)科和性能學(xué)科涉及2 種技術(shù)體系,可靠性學(xué)科關(guān)注魚雷長期使用過程中正常滿足任務(wù)需求的概率,而性能設(shè)計更關(guān)注魚雷先進性和完成任務(wù)的能力,二者相輔相成又互為制約,二者的協(xié)同設(shè)計是一個權(quán)衡博弈的過程。在魚雷型號研制中,通常是設(shè)計人員先進行性能設(shè)計迭代,使系統(tǒng)在各組件都滿足性能要求正常工作后,再進行可靠性分析和可靠性驗證及改進。經(jīng)過多次迭代才能同時滿足性能和可靠性要求,使得研制周期變長、研制成本增加。魚雷可靠性與性能一體化設(shè)計則依托協(xié)同設(shè)計和多學(xué)科優(yōu)化等先進設(shè)計理念,讓魚雷產(chǎn)品設(shè)計師、可靠性工程師和質(zhì)量工程師等協(xié)同工作,綜合考慮魚雷研制全過程(論證、方案、初樣和正樣、狀態(tài)鑒定以及使用保障)的可靠性設(shè)計要求[7]和性能設(shè)計要求開展相關(guān)設(shè)計。

魚雷裝備性能要求需針對組成魚雷的控制、自導(dǎo)、結(jié)構(gòu)、供電、動力、引戰(zhàn)和內(nèi)測等分系統(tǒng)的不同功能性能特征[8]制定,可靠性要求根據(jù)魚雷裝備部隊的使用保障需求確定,包括定量要求(實航可靠度、貯存可靠度、裝載可靠度和壽命等)和定性要求(如簡化設(shè)計、環(huán)境設(shè)計、熱設(shè)計、降額設(shè)計和容錯設(shè)計等)?？煽啃耘c性能一體化設(shè)計需求關(guān)系如圖1 所示。

圖1 魚雷可靠性與性能一體化設(shè)計需求關(guān)系圖Fig.1 Relationship of torpedo reliability and performance integrated design requirements

2 一體化設(shè)計基本思路和方法

魚雷可靠性和性能一體化設(shè)計的基本思路是:在魚雷實戰(zhàn)環(huán)境影響因素分析、可靠性指標(biāo)論證、可靠性工作流程規(guī)劃以及可靠性仿真分析等基礎(chǔ)上,將可靠性管理、設(shè)計、試驗和評估等工作科學(xué)合理地融入型號各研制階段,協(xié)同進行性能與可靠性設(shè)計,以系統(tǒng)功能設(shè)計為起點,性能仿真分析為主線,完成一系列與可靠性有關(guān)的分析工作,再權(quán)衡優(yōu)化,最后在全雷層面進行一體化的綜合優(yōu)化分析設(shè)計,以提高裝備設(shè)計效率,實現(xiàn)魚雷可靠性和性能水平的協(xié)調(diào)提升。主要方法如下。

1) 以魚雷裝備的功能和性能設(shè)計為主線,將整個過程細分為論證、方案和研制等不同階段,進行各階段總體、各系統(tǒng)及組部件開展的功能性能設(shè)計(電路、結(jié)構(gòu)和接口等)、性能仿真及試驗等工作。

2) 以魚雷裝備可靠性設(shè)計為主線,將全雷可靠性、維修性等要求逐層分解至系統(tǒng)和組件,明確魚雷裝備研制過程中需開展的可靠性、維修性等通用質(zhì)量特性工作項目,制定工作計劃和設(shè)計準(zhǔn)則。

3) 研究性能設(shè)計與可靠性設(shè)計數(shù)據(jù)流之間的交互、約束、輸入和輸出等關(guān)系,如總體設(shè)計方案與可靠性指標(biāo)的分配和預(yù)計之間、電路設(shè)計與可靠性指標(biāo)預(yù)計和元器件選型之間、可靠性設(shè)計準(zhǔn)則與產(chǎn)品電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計之間以及產(chǎn)品設(shè)計方案與保障資源之間等。

4) 根據(jù)可靠性與性能設(shè)計之間的交互關(guān)系,建立魚雷可靠性與性能一體化優(yōu)化模型,將研制階段需開展的可靠性工作項目融入到裝備各研制階段的性能設(shè)計中,實現(xiàn)可靠性與性能一體化設(shè)計,并明確在各研制階段的設(shè)計流程中每個工作項目的輸出和輸入要求。

魚雷可靠性與性能一體化設(shè)計的基本思路和方法如圖2 所示。

圖2 魚雷可靠性與性能一體化設(shè)計總體思路Fig.2 Overall idea of torpedo reliability and performance integrated design

3 一體化設(shè)計實現(xiàn)

魚雷可靠性應(yīng)該與性能特性進行同步設(shè)計、同步實現(xiàn)。在當(dāng)前產(chǎn)品性能數(shù)字化仿真、可靠性仿真等技術(shù)手段的支撐下,實現(xiàn)產(chǎn)品壽命周期各階段的可靠性評價以及可靠性與性能的同步優(yōu)化。

3.1 需求分析

魚雷特征和任務(wù)需求分析是開展可靠性與性能一體化設(shè)計的重要基礎(chǔ),包括魚雷的作戰(zhàn)任務(wù)和使命需求、魚雷組成和工作原理、任務(wù)剖面、壽命剖面、壽命周期內(nèi)的典型環(huán)境條件和影響因素、可靠性和性能水平現(xiàn)狀等。根據(jù)需求分析,開展魚雷可靠性和性能指標(biāo)一體化論證,以實現(xiàn)魚雷可靠性和性能指標(biāo)要求的高度匹配。同時根據(jù)指標(biāo)要求,開展可靠性指標(biāo)分配和性能設(shè)計工作流程規(guī)劃制定,確定初步的可靠性和性能設(shè)計準(zhǔn)則。

3.2 可靠性與性能一體化模型建立

建立一體化模型是開展魚雷性能與可靠性協(xié)同設(shè)計的基本手段。一體化模型通常包括優(yōu)化目標(biāo)、約束條件和擾動因素三部分要素。優(yōu)化目標(biāo)通常采用魚雷頂層戰(zhàn)技指標(biāo)(航程、航速、航深以及自導(dǎo)性能等);約束條件是魚雷各基本性能和可靠性指標(biāo)的可行域范圍;擾動因素包括魚雷設(shè)計過程中的各種內(nèi)外界不確定性因素(例如壽命周期內(nèi)環(huán)境條件)。

3.3 可靠性與性能協(xié)同設(shè)計

可靠性與性能的協(xié)同設(shè)計是通過對一體化模型的優(yōu)化求解,獲取同時滿足性能和可靠性的約束條件,優(yōu)化目標(biāo)最優(yōu)的魚雷設(shè)計方案。模型的優(yōu)化求解通?？山Y(jié)合試驗設(shè)計的方法提高求解效率,并結(jié)合魚雷的設(shè)計仿真和試驗等手段給出不同水平約束條件下的模型目標(biāo)值,選出的目標(biāo)值最優(yōu)方案在滿足可靠性與性能指標(biāo)要求的同時達到作戰(zhàn)效能最優(yōu),從而實現(xiàn)可靠性與性能的協(xié)調(diào)設(shè)計。

3.4 可靠性與性能一體化評價

一體化評價是對魚雷戰(zhàn)技指標(biāo)、功能性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo)要求的綜合評價過程。功能性能評價側(cè)重于對魚雷功能性能戰(zhàn)技指標(biāo)邊界值的達成情況,可靠性評價則考核魚雷在規(guī)定的任務(wù)時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。在可靠性與性能一體化評價過程中,要圍繞指標(biāo)評價的任務(wù)想定、環(huán)境構(gòu)建、評價方法和數(shù)據(jù)采集等要素,從指標(biāo)預(yù)計、仿真和試驗各方面充分實現(xiàn)一體化統(tǒng)籌安排。

魚雷可靠性與性能一體化設(shè)計的技術(shù)實現(xiàn)如圖3 所示。

圖3 魚雷可靠性與性能一體化設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)圖Fig.3 Technical realization diagram of torpedo reliability and performance integration design

4 一體化設(shè)計優(yōu)化模型

4.1 基本優(yōu)化模型

性能設(shè)計和可靠性設(shè)計二者關(guān)注的都是產(chǎn)品的核心特性,可控設(shè)計因素的改變會引起核心特性的改變,同樣會引起產(chǎn)品性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo)的改變。通過選取合理的設(shè)計因素,使產(chǎn)品達到既具有高性能指標(biāo)又滿足可靠性要求的設(shè)計狀態(tài),需要找到可靠性與性能設(shè)計因素的關(guān)系,建立可靠性與性能一體化設(shè)計優(yōu)化模型。性能設(shè)計與可靠性設(shè)計的本質(zhì)區(qū)別是: 性能設(shè)計通過改變設(shè)計因素(設(shè)計變量)X,追求標(biāo)準(zhǔn)條件下的最優(yōu)特性(耦合變量)Y;而可靠性設(shè)計則通過改變設(shè)計因素(設(shè)計變量)X,追求的是存在干擾N的條件下,產(chǎn)品依然要以最大的概率保持最低特性要求Y*,進而通過定量的分析結(jié)果實現(xiàn)對可靠性與性能設(shè)計的協(xié)調(diào)優(yōu)化。二者關(guān)系如圖4 所示。

圖4 可靠性與性能一體化設(shè)計關(guān)系圖Fig.4 Relationship of reliability and performance integrated design

結(jié)合圖4 所示關(guān)系,明確魚雷設(shè)計優(yōu)化目標(biāo),以性能和可靠性的指標(biāo)范圍作為約束條件,建立可靠性與性能一體設(shè)計優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為

式中:f(X,Y)為優(yōu)化性能目標(biāo)函數(shù);g(X,Y)為約束函數(shù);R(X,Y)為設(shè)計變量和耦合變量控制的可靠性函數(shù)。

考慮到設(shè)計中通常需要魚雷可靠性滿足相應(yīng)的指標(biāo)要求即可,也可將可靠性放入約束函數(shù),同時綜合考慮不確定性因素,則式(1)模型可修正為

式中:d為確定性設(shè)計變量;R為可靠性要求。

式(2)即為魚雷可靠性與性能一體化設(shè)計優(yōu)化基本模型,適用于魚雷型號論證、方案和研制等各階段,具體應(yīng)用需根據(jù)不同階段的優(yōu)化目標(biāo)及約束條件再作細化。

4.2 算例分析

以項目論證階段魚雷可靠性指標(biāo)論證為例,一般期望達到魚雷作戰(zhàn)效能最優(yōu)、戰(zhàn)備完好率高且經(jīng)濟性最佳。假設(shè)某型魚雷給定的研制經(jīng)費為C0,戰(zhàn)備完好率要求不小于則要求以作戰(zhàn)效能不小于W(1)*(W(1)為1 條魚雷在規(guī)定條件下發(fā)射命中目標(biāo)并擊毀的概率)最優(yōu)進行指標(biāo)論證。在進行魚雷作戰(zhàn)效能和可靠性指標(biāo)關(guān)聯(lián)性分析[9-11]的基礎(chǔ)上,考慮研制經(jīng)費與可靠性和性能指標(biāo)間的函數(shù)關(guān)系,即成本估算關(guān)系(cost estimating relationship,CER)[12-13],最終將一體化設(shè)計模型[14-15]優(yōu)化為

式中:f(Por,P2)為戰(zhàn)備完好率和擊毀概率的經(jīng)費函數(shù),通過達到規(guī)定的可靠性和性能指標(biāo)所需原材料和元器件等的制造成本決定;RS(tS)為魚雷貯存可靠度,tS為貯存時間;RS(tC)為魚雷裝載可靠度,tC為裝載時間;RW為魚雷實航任務(wù)可靠度;P2為魚雷能夠擊毀敵方目標(biāo)的擊毀概率,它與魚雷的威力、自導(dǎo)精度、目標(biāo)性質(zhì)和毀傷定義等因素有關(guān);MS(td)為維修度,即在規(guī)定時間td內(nèi)完成修復(fù)故障魚雷任務(wù)的概率;為維修度最低可接受值;t0為修理允許延誤時間。

假定單條魚雷采購經(jīng)費C不多于1 100 萬,在置信度為0.8 的情況下對部分指標(biāo)要求為:RW(tW)≥0.92;RC(tC)≥0.93;RS(tS)≥0.90(tS=2 d);MS(td)≥0.8(td=2 h);P2≥0.9;戰(zhàn)備完好率Por≥0.9。

假設(shè)將各可靠性指標(biāo)約束上限設(shè)置為0.95,典型任務(wù)為2 發(fā)齊射,要求最多6 發(fā)齊射的作戰(zhàn)效能W(6)≥0.995,以單發(fā)作戰(zhàn)效能W(1)最優(yōu)進行指標(biāo)論證。將以上約束條件和數(shù)值帶入式(3)得到

計算得到各指標(biāo)最優(yōu)解如表1 所示。

表1 指標(biāo)論證優(yōu)化結(jié)果Table 1 Integration index demonstration and optimization results

通過以上優(yōu)化模型算例可以看出,在魚雷指標(biāo)論證過程中,以作戰(zhàn)效能最佳為優(yōu)化目標(biāo),建立魚雷可靠性和性能指標(biāo)一體化優(yōu)化模型,減少了迭代計算經(jīng)費要求、可靠性指標(biāo)要求和性能指標(biāo)要求的工作量;按傳統(tǒng)論證方案至少需要迭代計算1 次以上,采用一體化優(yōu)化模型則一次優(yōu)化求解的計算效率提升50%以上,極大縮短了指標(biāo)論證的迭代周期,同時為提出可靠性與性能指標(biāo)、經(jīng)費需求協(xié)調(diào)一致的指標(biāo)體系提供了工程實踐方案。

5 結(jié)束語

文中結(jié)合以往魚雷研制可靠性工程實踐,對魚雷可靠性與性能一體化設(shè)計方法進行了初步研究,在分析可靠性與性能需求關(guān)系的基礎(chǔ)上,提出魚雷可靠性與性能一體化設(shè)計的基本思路和實現(xiàn)途徑。在技術(shù)實現(xiàn)上提出了一體化設(shè)計流程及一體化設(shè)計優(yōu)化模型,并通過具體算例分析證明了該模型在提高設(shè)計效率、實現(xiàn)魚雷產(chǎn)品性能與可靠性設(shè)計同步優(yōu)化方面具有明顯效果。魚雷可靠性與性能一體化設(shè)計方法一定程度上解決了魚雷產(chǎn)品性能設(shè)計與可靠性設(shè)計脫節(jié)問題,使得魚雷產(chǎn)品設(shè)計在滿足可靠性要求、性能要求及效費比的同時,研制周期和研制經(jīng)費也得以降低,該方法可推廣應(yīng)用于水中兵器各型號研制工作,具有良好工程借鑒意義。