電子裝備機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)優(yōu)化方法研究

楊文芳，徐永利，陳竹梅，李 雨

(中國電子科學(xué)研究院， 北京 100041)

電子裝備機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)優(yōu)化方法研究

楊文芳，徐永利，陳竹梅，李 雨

(中國電子科學(xué)研究院， 北京 100041)

為了提高電子裝備系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和指標(biāo)分配能力，文中提出了一種電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化分配方法。該方法將最優(yōu)化理論引入電子裝備各級結(jié)構(gòu)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)分配的過程中，指導(dǎo)電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)分配過程，并提高指標(biāo)分配的精準(zhǔn)性，是一種值得推薦的總體設(shè)計(jì)方法。文中首先簡單介紹了最優(yōu)化方法的理論基礎(chǔ)，并詳細(xì)描述了電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化分配的建模過程，包括優(yōu)化目標(biāo)的確定、約束條件的設(shè)置、求解算法等。然后以某機(jī)載電子裝備為例，依據(jù)此方法對其各級結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化分配。結(jié)果表明該方法切實(shí)可行。

電子裝備；系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性；設(shè)計(jì)指標(biāo)；優(yōu)化分配

引 言

電子裝備一般由眾多含有精密電子部件的電子設(shè)備、安裝電子設(shè)備的基體結(jié)構(gòu)(機(jī)柜/機(jī)架、顯控臺、機(jī)箱等)通過一定的連接關(guān)系組成。電子裝備的研制往往由多家研制單位共同參與完成。機(jī)載、艦載等特種平臺類電子裝備所處的惡劣機(jī)械環(huán)境是造成破壞或降低其可靠性的重要因素。在電子裝備系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過程中，電子裝備總體設(shè)計(jì)師非常關(guān)心的問題是如何合理地分配各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)的機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)，即系統(tǒng)總體如何合理地將總體關(guān)于機(jī)械環(huán)境的“設(shè)計(jì)條件”、“設(shè)計(jì)余量”等指標(biāo)分配給分系統(tǒng)和設(shè)備外協(xié)(外包)單位，以使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到全局協(xié)調(diào)的總體最優(yōu)。設(shè)計(jì)指標(biāo)分配的好壞對設(shè)計(jì)周期長短有很大影響，還與設(shè)計(jì)成功與否直接相關(guān)。

目前，在電子裝備研制中，各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)的分配，主要依靠經(jīng)驗(yàn)確定，缺乏系統(tǒng)級機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)分解的理論依據(jù)。因而經(jīng)常會因指標(biāo)分配不合理，設(shè)計(jì)多次反復(fù)，甚至過設(shè)計(jì)或者過考核，從而延長了研制周期。文獻(xiàn)[1]簡單而較籠統(tǒng)地介紹了用于工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配的直接法、分解協(xié)調(diào)法和協(xié)同分配法；文獻(xiàn)[2]介紹了基于層次分析法的某型號控制系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配方法；文獻(xiàn)[3]介紹了基于整數(shù)非線性規(guī)劃的農(nóng)機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化配備的方法。但鑒于不同領(lǐng)域問題的差異性，暫時(shí)還缺乏針對電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的更加合理的指標(biāo)分配方法。本文將最優(yōu)化理論和方法引入電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)分配中，提出了一種電子裝備機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)優(yōu)化分配方法。

1 最優(yōu)化方法理論基礎(chǔ)

最優(yōu)化理論以數(shù)學(xué)規(guī)劃理論為基礎(chǔ)，研究各種系統(tǒng)的優(yōu)化途徑及方案，為決策者提供科學(xué)決策的依據(jù)。數(shù)學(xué)規(guī)劃理論研究如何將有限的人力、物力、資金等資源進(jìn)行最適當(dāng)、最有效的分配和利用，即研究可控變量在某些約束條件下求其目標(biāo)在某處取極大值或者極小值的理論。根據(jù)問題的性質(zhì)與處理方法的不同，它又可分為線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、多目標(biāo)規(guī)劃等不同的理論。電子裝備系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)優(yōu)化分配問題可根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的數(shù)量歸結(jié)為單目標(biāo)或多目標(biāo)規(guī)劃問題，其數(shù)學(xué)模型的一般形式為

(1)

式中：x=[x1x2…xn]T，令R={x|gi(x)≤0，i=1,2,…,m；hi(x)=0，i=1,2,…,l}，則稱R為問題的可行域，V-minF(x)指的是對向量形式的p個(gè)目標(biāo)函數(shù)求最小，且目標(biāo)函數(shù)F(x)和約束函數(shù)gi(x)、hi(x)可以是線性函數(shù)也可以是非線性函數(shù)。F(x)=[f1(x)f2(x) …fp(x)]，當(dāng)p≥2時(shí)為多目標(biāo)規(guī)劃問題；當(dāng)p=1時(shí)，若目標(biāo)函數(shù)F(x)和約束函數(shù)gi(x)、hi(x)均為線性函數(shù)，則為線性規(guī)劃問題，否則為非線性規(guī)劃問題。

2 優(yōu)化模型的建立

2.1 電子裝備機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)分配特點(diǎn)

電子裝備結(jié)構(gòu)具有層次性和可拆裝的特征，即各子結(jié)構(gòu)之間相互獨(dú)立或只存在弱耦合關(guān)系，可按層次分解為裝機(jī)單元(機(jī)架、顯控臺)級、內(nèi)裝單元(插箱)級和模塊級。電子裝備結(jié)構(gòu)層次劃分如圖1所示。

圖1 電子裝備結(jié)構(gòu)層次

在安裝平臺給出的激振頻率帶寬內(nèi)(或在沖擊載荷下)，電子裝備系統(tǒng)在各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)安裝位置處響應(yīng)的最大值應(yīng)不大于各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)能夠承受的振動(dòng)(或沖擊)量級，這是電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的基本要求。即使同一平臺，設(shè)備安裝的基體結(jié)構(gòu)(機(jī)架、顯控臺、機(jī)箱等)的結(jié)構(gòu)形式、材料和設(shè)備安裝位置不同，設(shè)備受到的振動(dòng)、沖擊激勵(lì)也會不一樣。因此，為確定各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)的機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)，需要兼顧3點(diǎn)：安裝平臺的機(jī)械環(huán)境條件；結(jié)構(gòu)(設(shè)備)本身固有的動(dòng)力學(xué)特性；電子裝備機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)狀。

安裝平臺機(jī)械環(huán)境條件由平臺確定。結(jié)構(gòu)(設(shè)備)本身固有的動(dòng)力學(xué)特性可以通過仿真分析確定，方法參見文獻(xiàn)[4]。目前，在電子裝備機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方面主要采取電子設(shè)備結(jié)構(gòu)自身的加固設(shè)計(jì)和采用隔振(或緩沖)系統(tǒng)2種措施。隔振(或緩沖)系統(tǒng)的隔振(或緩沖)效率E=(1-TA)×100%，其中，TA為振動(dòng)(或沖擊)傳遞率。

2.2 機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化分配的一般模型

電子裝備結(jié)構(gòu)層次如圖1所示，將各級結(jié)構(gòu)的機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)分配值定義為變量。各變量定義為：xi為電子裝備中第i個(gè)裝機(jī)單元機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)(i=1,2,…,m)；xij為電子裝備中第i個(gè)裝機(jī)單元中第j個(gè)內(nèi)裝單元機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)；xijk為電子裝備中第i個(gè)裝機(jī)單元中第j個(gè)內(nèi)裝單元中的第k個(gè)模塊機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n；k=1,2,…,p)。

2.2.1 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的建立

電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化分配的目標(biāo)由裝備總體研制單位根據(jù)研制任務(wù)并綜合各種因素共同確定，可以是在滿足電子裝備機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)要求的前提下，重量最輕，可靠性最高或研制成本最低等，也可以是幾個(gè)目標(biāo)的綜合。

2.2.1.1 重量最輕優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的建立

將滿足基本安裝功能的各級結(jié)構(gòu)的重量定義為初始重量，可以將電子裝備各級結(jié)構(gòu)為滿足設(shè)計(jì)需求進(jìn)行必要的機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)而增加的系統(tǒng)重量設(shè)為目標(biāo)函數(shù)。各級結(jié)構(gòu)初始重量定義如下：

W0i為電子裝備中第i個(gè)裝機(jī)單元的初始重量(含內(nèi)裝單元、模塊等)(i=1,2,…,m)；

W0ij為電子裝備中第i個(gè)裝機(jī)單元中第j個(gè)內(nèi)裝單元的初始重量(含模塊)(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)；

W0ijk為電子裝備中第i個(gè)裝機(jī)單元中第j個(gè)內(nèi)裝單元中的第k個(gè)模塊的初始重量(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n；k=1,2,…,p)。

假定將結(jié)構(gòu)(設(shè)備)自身的機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力提高到一定倍數(shù)范圍，可以通過增強(qiáng)自身剛度實(shí)現(xiàn)，但是超過一定倍數(shù)范圍則必須通過增加隔振緩沖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。各級結(jié)構(gòu)提高自身機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力后增加的重量定義如下：

ΔWi為電子裝備中第i個(gè)裝機(jī)單元在進(jìn)行機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)后增加的重量(i=1,2,…,m)，

(2)

ΔWij為電子裝備中第i個(gè)裝機(jī)單元中第j個(gè)內(nèi)裝單元在進(jìn)行機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)后增加的重量(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)，

(3)

ΔWijk為電子裝備中第i個(gè)裝機(jī)單元中第j個(gè)內(nèi)裝單元中的第k個(gè)模塊在進(jìn)行機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)后增加的重量(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n；k=1,2,…,p)，

(4)

則電子裝備系統(tǒng)在進(jìn)行機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)后增加的系統(tǒng)總重量函數(shù)表達(dá)式為：

(5)

各級結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)后增加的重量函數(shù)表達(dá)式合理與否，直接影響結(jié)果的有效性，一般采用擬合函數(shù)或經(jīng)驗(yàn)公式來確定。

2.2.1.2 可靠性最高優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的建立

將電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)后可靠性最高(即機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)對可靠性的降低量最小)定義為另一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，則電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)可靠性最高優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

(6)

式中，ΔRi(xi)、ΔRij(xij)、ΔRijk(xijk)分別為各級結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)后對本身初始可靠性的增加量。

2.2.1.3 研制成本最低優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的建立

電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)研制成本最低，其目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

(7)

式中，ΔQi(xi)、ΔQij(xij)、ΔQijk(xijk)分別為各級結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)后增加的研制成本。

2.2.2 約束方程的建立

2.2.2.1 機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)需求約束

平臺機(jī)械環(huán)境條件和電子裝備系統(tǒng)內(nèi)最底層結(jié)構(gòu)(設(shè)備)的機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力是固定不變的，因此，無論各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)怎樣分配，從平臺到系統(tǒng)內(nèi)最底層結(jié)構(gòu)(設(shè)備)激勵(lì)的傳遞路徑如何設(shè)計(jì)，從平臺傳遞到系統(tǒng)內(nèi)最底層結(jié)構(gòu)(設(shè)備)的激勵(lì)響應(yīng)都不應(yīng)該大于設(shè)備能夠承受的振動(dòng)(或沖擊)量級。各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)的機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)的確定需要考慮本身固有的動(dòng)力學(xué)特性、安裝位置處受到的激勵(lì)值和機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)狀。

結(jié)構(gòu)(設(shè)備)本身固有的動(dòng)力學(xué)特性確定其初始機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力。各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)初始機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力定義如下：

x0i為電子裝備中第i個(gè)裝機(jī)單元初始機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力(i=1,2,…,m)；

x0ij為電子裝備中第i個(gè)裝機(jī)單元中第j個(gè)內(nèi)裝單元初始機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)；

x0ijk為電子裝備中第i個(gè)裝機(jī)單元中第j個(gè)內(nèi)裝單元中的第k個(gè)模塊初始機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n；k=1,2,…,p)。

各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)安裝位置處受到的激勵(lì)值與上級結(jié)構(gòu)受到的激勵(lì)和在其安裝位置處由上級結(jié)構(gòu)傳遞來的對激勵(lì)的放大倍數(shù)成正比。各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)在安裝位置處受到的由上級結(jié)構(gòu)傳遞來的對激勵(lì)的放大倍數(shù)定義如下：

si為電子裝備中第i個(gè)裝機(jī)單元在安裝位置處受到的由上級結(jié)構(gòu)傳遞來的對激勵(lì)的放大倍數(shù)(i=1,2,…,m)；sij為電子裝備中第i個(gè)裝機(jī)單元中第j個(gè)內(nèi)裝單元在安裝位置處受到的由上級結(jié)構(gòu)傳遞來的對激勵(lì)的放大倍數(shù)(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)；sijk為電子裝備中第i個(gè)裝機(jī)單元中第j個(gè)內(nèi)裝單元中的第k個(gè)模塊在安裝位置處受到的由上級結(jié)構(gòu)傳遞來的對激勵(lì)的放大倍數(shù)(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n；k=1,2,…,p)。

因此，相關(guān)約束方程為：

(8)

式中，Di為第i個(gè)裝機(jī)單元在安裝位置處受到的平臺激勵(lì)。

2.2.2.2 各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力提高限額

鑒于重量和當(dāng)前隔振緩沖技術(shù)的限制，各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力的提高有一定限額，不能無限制地提高，相關(guān)約束方程為：

(9)

式中，ki、kij、kijk分別為各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力提升系數(shù)的限額。

2.3 模型的求解方法

電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化分配問題，可歸結(jié)為以下多目標(biāo)非線性規(guī)劃問題的求解問題：

(10)

處理多目標(biāo)規(guī)劃的方法有約束法(又稱主要目標(biāo)法)、評價(jià)函數(shù)法、功效系數(shù)法等。在電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化分配中，可以采用約束法進(jìn)行處理，這樣就將原有多目標(biāo)規(guī)劃轉(zhuǎn)化為一個(gè)在新的約束下求主要目標(biāo)的單目標(biāo)最優(yōu)化問題。在機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化分配中，如果將可靠性最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)f2(x)和研制成本最低目標(biāo)函數(shù)f3(x)當(dāng)作約束條件來處理，則式(10)改為如下形式：

(11)

這樣，該問題就轉(zhuǎn)換成一個(gè)約束條件下的非線性規(guī)劃問題的求解，求解此類問題有拉格朗日乘子法、序列無約束極小化法(懲罰函數(shù)法、障礙函數(shù)法、混合懲罰函數(shù)法等)、近似規(guī)劃法等。應(yīng)用MATLAB語言編寫求解程序，可較好地求解非線性規(guī)劃問題。

3 某裝備振動(dòng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化分配實(shí)例分析

本文以某機(jī)載電子裝備為例，進(jìn)行系統(tǒng)振動(dòng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化分配計(jì)算分析。本算例不計(jì)算可靠性和研制成本影響因素，僅考慮重量最輕這1個(gè)目標(biāo)函數(shù)。某機(jī)載電子裝備的假定條件是：該機(jī)載電子裝備安裝在8個(gè)機(jī)載機(jī)架中，8個(gè)機(jī)架狀態(tài)相同，受到的平臺激勵(lì)也相同，平臺激勵(lì)為10 ～ 2 000 Hz的隨機(jī)振動(dòng)，振動(dòng)量值用加速度總均方根表示。每個(gè)機(jī)架從下到上安裝6個(gè)分機(jī)，每個(gè)分機(jī)內(nèi)從左到右安裝5個(gè)模塊,則圖1中m、n和p分別為8、6和5。機(jī)架對應(yīng)圖1中的裝機(jī)單元，分機(jī)對應(yīng)圖1中的內(nèi)裝單元。每個(gè)機(jī)架的初始重量(包括分機(jī)、模塊等)為200 kg，每個(gè)分機(jī)的初始重量(包括模塊)為25 kg，每個(gè)模塊的初始重量為1.5 kg。對應(yīng)于式(11)中的電子裝備系統(tǒng)振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)增加的重量目標(biāo)函數(shù)f1(x)為：

(12)

各級結(jié)構(gòu)提高自身振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)能力后增加的重量，簡單規(guī)定為：在提升系數(shù)小于1.1的情況下，各級結(jié)構(gòu)振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)能力提升可通過自身剛度加強(qiáng)實(shí)現(xiàn)，增加的重量與提升系數(shù)成正比；在提升系數(shù)大于1.1的情況下，必須通過加裝隔振緩沖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，增加重量即為隔振緩沖系統(tǒng)的重量，其函數(shù)表達(dá)式為：

(13)

(14)

(15)

各級結(jié)構(gòu)的初始重量矩陣(向量)表達(dá)式為：

電子裝備受到的平臺振動(dòng)激勵(lì)列向量為：

借助有限元仿真分析軟件，可確定各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)初始機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力以及在安裝位置處受到的由上級結(jié)構(gòu)傳遞來的對激勵(lì)的放大倍數(shù)。

模塊級初始機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力參考文獻(xiàn)[5]確定，各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)初始機(jī)械環(huán)境適應(yīng)能力矩陣(向量)表達(dá)式為：

各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)在安裝位置處受到的由上級結(jié)構(gòu)傳遞來的對激勵(lì)的放大倍數(shù)矩陣(向量)表達(dá)式為：

各級結(jié)構(gòu)振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性能力提升系數(shù)限額由當(dāng)前振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)狀確定，其矩陣(向量)表達(dá)式為：

將各級結(jié)構(gòu)提高自身振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)能力后增加的重量分段函數(shù)表達(dá)式式(13)、式(14)、式(15)中各段變量取值范圍轉(zhuǎn)變?yōu)榧s束條件，將各段函數(shù)分別代入式(12)，根據(jù)上述平臺激勵(lì)、各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)初始振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)能力、各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)在安裝位置處受到的由上級結(jié)構(gòu)傳遞來的對激勵(lì)的放大倍數(shù)、各級結(jié)構(gòu)振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性能力提升系數(shù)限額等參數(shù)確定的情況，求得電子裝備系統(tǒng)振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)增加重量的極小值f1 min(x)=90.6 kg。各級結(jié)構(gòu)(設(shè)備)振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)矩陣(向量)為：

從上述結(jié)果可知，取得極小值的條件是：機(jī)架振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)為5.28g,提升系數(shù)大于1.1(初始振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)能力為3.3g)，由式(13)可知，需要加裝隔振緩沖系統(tǒng)；內(nèi)裝單元級從下向上前3個(gè)分機(jī)的機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)分別為4g、4g、4.1g，提升系數(shù)小于1.1(初始振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)能力為4g)，可采用自身剛度加強(qiáng)實(shí)現(xiàn)，后3個(gè)分機(jī)的機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)為5g，提升系數(shù)大于1.1，由式(14)可知，需要加裝隔振緩沖系統(tǒng)；模塊級機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)為5.35g，與初始振動(dòng)緩沖適應(yīng)能力相同，由式(15)可知，可不采取特殊措施。

為盡量滿足系統(tǒng)“三化”(標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化)設(shè)計(jì)要求，提高系統(tǒng)的互換性程度，減少設(shè)計(jì)種類，可統(tǒng)一設(shè)置各級結(jié)構(gòu)振動(dòng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)(裝機(jī)單元級為5.28g，裝機(jī)單元內(nèi)從下向上前3個(gè)內(nèi)裝單元為4.1g，后3個(gè)內(nèi)裝單元為5g，模塊級為5.35g)，并按此向各分系統(tǒng)或分承研單位下達(dá)設(shè)計(jì)指標(biāo)。以上振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)分配結(jié)果，與傳統(tǒng)電子裝備采用兩級隔振措施比較一致。但是與傳統(tǒng)電子裝備研制中依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行“一刀切”的指標(biāo)分配相比，此分配結(jié)果中給出了各級振動(dòng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)量值，指標(biāo)分配得更加精準(zhǔn)，能夠有效控制系統(tǒng)重量，且能夠有效保證研制周期，降低欠設(shè)計(jì)和過設(shè)計(jì)的概率。

4 結(jié)束語

本文提出了一種電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化分配方法，該方法將目標(biāo)優(yōu)化理論引入到了電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)分解中。研究表明，與傳統(tǒng)的機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)分配方法相比，該方法具有諸多優(yōu)點(diǎn)： 可為系統(tǒng)級的總體設(shè)計(jì)指標(biāo)分配過程提供理論依據(jù)，使指標(biāo)分配更加精準(zhǔn)； 能夠在重量、可靠性、研制經(jīng)費(fèi)等眾多約束條件下，為電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)分配提供最佳方案；能夠有效保證研制周期，降低欠設(shè)計(jì)和過設(shè)計(jì)的概率。

本文用一個(gè)簡單的電子裝備振動(dòng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)分配算例初步驗(yàn)證了該方法的有效性，表明該方法可處理一般的設(shè)計(jì)指標(biāo)最優(yōu)分配問題。但算例中優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)設(shè)置得比較簡單，還不能真實(shí)地體現(xiàn)實(shí)際情況的目標(biāo)特征，且在每一個(gè)具體工程問題中，關(guān)注的重點(diǎn)會有所不同。在今后的電子裝備系統(tǒng)研制中，需要圍繞項(xiàng)目關(guān)注的重要因素，并結(jié)合技術(shù)現(xiàn)狀設(shè)置目標(biāo)函數(shù)、約束條件等?？伤鸭罅拷?jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過進(jìn)一步擬合函數(shù)或歸納經(jīng)驗(yàn)公式，將優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件等設(shè)置得更加合理，使結(jié)果更加真實(shí)。本文提供的電子裝備系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)指標(biāo)的優(yōu)化分配方法，是一種值得推薦的總體設(shè)計(jì)方法。

[1] 魏宏艷, 李為吉，張科施. 工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的最優(yōu)分配方法[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2006(3): 44-46.

[2] 謝紅軍, 黃杰, 沈斌. 基于層次分析法的某型號控制系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配[J]. 航空兵器, 2013(2): 57-60.

[3] 馬力, 王福林, 吳昌友，等. 基于整數(shù)非線性規(guī)劃的農(nóng)機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化配備研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2010, 32(8): 11-15.

[4] 楊文芳, 魏強(qiáng), 朱蘭琴. 基于有限元分析的機(jī)載電子設(shè)備減振設(shè)計(jì)[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2010, 29(5): 230-234.

[5] 中國人民解放軍總裝備部電子信息基礎(chǔ)部. GJB 360B—2009 電子及電氣元件試驗(yàn)方法[S]. 2009.

楊文芳(1978-)，女，碩士，高級工程師，主要從事結(jié)構(gòu)總體研究工作。

Research on Optimization Method of Design Requirements of Mechanical Environment Adaptability for Electronic Equipment

YANG Wen-fan，XU Yong-li，CHEN Zhu-mei，LI Yu

(ChinaAcademyofElectronicsandInformationTechnology,Beijing100041,China)

In order to improve the system design and requirement allocation, a new method of optimum allocation of design requirements in system mechanical environment adaptability for electronic equipment is proposed in this paper. As a good system design method, this method introduces the optimization theory into allocation of mechanical environment adaptability design requirements for electronic equipment and is helpful for the design requirement allocation and improvement of the allocation accuracy. In this paper the optimization theory and modeling process are introduced first, including optimum objects, constraints, solving algorithm, etc. Then taking an airborne electronic equipment as an example, mechanical environment adaptability design requirements of each class are optimized and allocated. The result shows that this new method is effective and practical.

electronic equipment; system mechanical environment adaptability; design requirement; optimum allocation

2014-10-24

TP391.99

A

1008-5300(2015)02-0059-06