以功能為導(dǎo)向的艦船建造質(zhì)量控制方法

王鴻東，梁曉鋒，余平，易宏，張?jiān)７?/p>

1上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

2高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240

3江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司總裝部，上海201913

以功能為導(dǎo)向的艦船建造質(zhì)量控制方法

王鴻東1，2，梁曉鋒1，2，余平3，易宏1，2，張?jiān)７?，2

1上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

2高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240

3江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司總裝部，上海201913

長(zhǎng)期以來(lái)，由于艦船建造工程浩大、過程復(fù)雜、工藝繁多，人們對(duì)于建造質(zhì)量如何影響艦船可靠性缺乏系統(tǒng)性的研究。為實(shí)現(xiàn)對(duì)考慮建造質(zhì)量影響的艦船可靠性的科學(xué)預(yù)測(cè)和有效控制，從艦船總體功能的角度出發(fā)，在現(xiàn)代造船模式背景下，針對(duì)艦船建造提出一種以功能為導(dǎo)向的質(zhì)量控制（FOQC）方法。融合艦船目標(biāo)功能、質(zhì)量參數(shù)、建造工藝因素，提出艦船建造可靠性預(yù)測(cè)模型。建立工藝—質(zhì)量參數(shù)及質(zhì)量參數(shù)—特征功能可靠性模型，對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行量化計(jì)算，獲得建造質(zhì)量對(duì)艦船可靠性影響的定性與定量分析，并依據(jù)分析結(jié)果，對(duì)關(guān)鍵質(zhì)量點(diǎn)與關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行控制與優(yōu)化。以某艦船軸系安裝為實(shí)例進(jìn)行分析，驗(yàn)證了方法的可行性與有效性，可為艦船建造質(zhì)量的定量化檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)性方法的原理指導(dǎo)。

艦船可靠性；功能；質(zhì)量；工藝；FOQC

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1157.002.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：王鴻東，梁曉鋒，余平，等.以功能為導(dǎo)向的艦船建造質(zhì)量控制方法［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（5）：134-142.

WANG Hongdong，LIANG Xiaofeng，YU Ping，et al.A function-oriented quality control method for ship construction［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：134-142.

0　引言

可靠性的定義是：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力［1］。在艦船可靠性工程中，一般選取艦船總體任務(wù)可靠度和固有可用度作為頂層可靠性參數(shù)指標(biāo)［2］。

艦船裝備是典型的小子樣復(fù)雜產(chǎn)品，是結(jié)構(gòu)、設(shè)備、軟件的集成。集成過程就是建造過程。在目前技術(shù)水平下，艦船可靠性的實(shí)現(xiàn)方法是在設(shè)計(jì)階段，自上而下，通過總體可靠性指標(biāo)的分配，指導(dǎo)設(shè)備的選型［2］。通常情況下，只要設(shè)備可靠性合格，建造工藝符合現(xiàn)行規(guī)范，即可認(rèn)為艦船可靠性達(dá)標(biāo)，并且在此過程中，將結(jié)構(gòu)問題作為邊界條件，認(rèn)為結(jié)構(gòu)足夠堅(jiān)固，可不予考慮其可靠性問題。事實(shí)上，這是缺乏理論依據(jù)的，在工程上是不得已而為之的辦法。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，制造技術(shù)對(duì)艦船可靠性的影響約占10%［3］（表1）。

表1　艦船可靠性各影響因素所占比例Tab.1The proportion of reliability factors

我國(guó)在某批量艦船的建造中發(fā)現(xiàn)，盡管各船廠所采用的設(shè)計(jì)圖紙相同，但由于建造質(zhì)量控制、管理方式不同，導(dǎo)致所生產(chǎn)的艦船可靠性存在較大差異。究其原因，是因?yàn)殚L(zhǎng)期以來(lái)，艦船可靠性工作僅在總體設(shè)計(jì)層面上進(jìn)行，對(duì)建造質(zhì)量如何影響可靠性的機(jī)理尚不了解，缺少完整的體系來(lái)評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)艦船建造質(zhì)量對(duì)艦船可靠性的影響。

本文將從保障艦船總體可靠性的角度出發(fā)，在現(xiàn)代造船模式背景下，針對(duì)艦船建造提出一種以功能為導(dǎo)向的質(zhì)量控制（FOQC）方法，對(duì)艦船目標(biāo)功能、質(zhì)量參數(shù)、建造工藝等因素進(jìn)行分析控制，并將該方法實(shí)際應(yīng)用于某型號(hào)艦船，驗(yàn)證其可行性與有效性。

1　FOQC方法介紹

1.1基本思路

FOQC方法是以裝備功能的實(shí)現(xiàn)為導(dǎo)向，將裝備的目標(biāo)功能分解到各建造模塊的特征功能，提煉出支撐特征功能實(shí)現(xiàn)的功能質(zhì)量參數(shù)，進(jìn)而通過研究建造工藝對(duì)質(zhì)量參數(shù)的實(shí)現(xiàn)能力來(lái)保障裝備的目標(biāo)功能實(shí)現(xiàn)能力，即可靠性的方法。

如圖1所示，在工藝影響分析鏈上，依據(jù)目標(biāo)功能—質(zhì)量參數(shù)—建造工藝的層級(jí)關(guān)系，確定影響目標(biāo)功能的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)；在目標(biāo)功能生成鏈上，依據(jù)建造工藝—質(zhì)量參數(shù)—目標(biāo)功能演化關(guān)系，制定影響目標(biāo)功能的工藝優(yōu)化方案。

FOQC方法過程框圖如圖2所示。

圖1　功能—質(zhì)量—工藝關(guān)系模型Fig.1Function-quality-process connection model

圖2　FOQC過程框圖Fig.2The flowchart of FOQC method

1.2關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)施步驟

1.2.1艦船總體功能分解

質(zhì)量功能分解（QFD）方法［4］由日本學(xué)者Akao于20世紀(jì)60年代提出。該方法將用戶對(duì)產(chǎn)品功能的需求分解到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、建造等多過程的關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)，并成功運(yùn)用于造船、航空器制造等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域［5-7］。

現(xiàn)代造船模式采用模塊化區(qū)域造船，以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向，按區(qū)域組織生產(chǎn)，殼舾涂作業(yè)在空間上分道，時(shí)間上有序，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理一體化，具體形式如圖3所示［8］。其中，每一層級(jí)的一個(gè)中間產(chǎn)品即是一個(gè)建造模塊，作為組織生產(chǎn)的最基本形式，出現(xiàn)在作業(yè)人員或作業(yè)小組面前。最低約定層級(jí)建造模塊為約定的建造質(zhì)量控制的最低層級(jí)，包括設(shè)備、成品化中間產(chǎn)品等。

依照艦船生產(chǎn)方確定的建造模塊分解方式，利用QFD技術(shù)，將艦船總體目標(biāo)功能需求分解為各層級(jí)建造模塊的特征功能，并用一組質(zhì)量參數(shù)集對(duì)各特征功能進(jìn)行描述。該過程可借助基于建造模塊的功能—質(zhì)量參數(shù)關(guān)聯(lián)矩陣表進(jìn)行（表2）。

圖3　現(xiàn)代造船模式下的建造模塊分解Fig.3Construction module deployment in modern shipbuilding mode

表2　功能—質(zhì)量參數(shù)關(guān)聯(lián)矩陣表Tab.2Function-quality parameter correlation matrix

圖4　PFMEA流程圖Fig.4The flowchart of PFMEA

1.2.2艦船建造工藝對(duì)質(zhì)量參數(shù)影響分析

工藝故障模式與影響分析（PFMEA）技術(shù)概念于20世紀(jì)20年代被首次提出，60年代由NASA作為提升航空器建造質(zhì)量的方法進(jìn)行工程應(yīng)用，隨后被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)［9］。國(guó)內(nèi)學(xué)者黃一民［10］對(duì)艦船建造過程PFMEA方法進(jìn)行了介紹；上海交通大學(xué)對(duì)某型登陸艇實(shí)施了完整的可靠性工程，包括PFMEA分析研究。該技術(shù)的具體實(shí)施流程如圖4所示。

1.2.3艦船建造可靠性預(yù)測(cè)模型

可靠性是質(zhì)量在時(shí)間維度上的體現(xiàn)，是目標(biāo)功能實(shí)現(xiàn)能力的定量化表達(dá)［11］。為定量化評(píng)價(jià)建造質(zhì)量對(duì)艦船可靠性的影響，需建立艦船建造可靠性預(yù)測(cè)模型。

考慮到任務(wù)可靠度的計(jì)算方法較固有可靠度更適于描述建造質(zhì)量的影響，且便于指導(dǎo)設(shè)備選型，因此，選取艦船任務(wù)可靠度Rm作為建造質(zhì)量影響的作用指標(biāo)，根據(jù)定義

式中：F為艦船總體任務(wù)可靠度函數(shù)；Ri為任務(wù)可靠度函數(shù)的自變量，也是第i個(gè)子系統(tǒng)（或設(shè)備）的任務(wù)可靠度值，即該子系統(tǒng)（或設(shè)備）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)、規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力。

定義Rc為建造質(zhì)量對(duì)可靠性的影響系數(shù)，即建造任務(wù)可靠度，并作為艦船建造可靠性預(yù)測(cè)模型的頂層參數(shù)。式中：f為艦船建造任務(wù)可靠度函數(shù)；ri為對(duì)應(yīng)于第i個(gè)子系統(tǒng)（或設(shè)備）的建造模塊的建造任務(wù)可靠度值。

定義Rm與Rc的運(yùn)算關(guān)系“×”如下：

式中，R?m為考慮建造質(zhì)量影響的艦船任務(wù)可靠度。

基于故障樹分析（FTA）理論，構(gòu)建質(zhì)量參數(shù)—特征功能可靠性模型［12］。將因建造質(zhì)量問題導(dǎo)致的特征功能故障作為頂事件，將質(zhì)量參數(shù)故障作為底事件，該建造模塊的建造任務(wù)可靠度rc可計(jì)算如下：

式中，P（Ftop）為故障樹頂事件發(fā)生概率，

式中：G為故障樹頂事件發(fā)生函數(shù)；F（xm）為第m個(gè)質(zhì)量參數(shù)故障底事件的發(fā)生概率，可基于PFMEA分析和可靠性框圖技術(shù)，構(gòu)建建造工藝—質(zhì)量參數(shù)可靠性模型計(jì)算獲得。

艦船建造可靠性預(yù)測(cè)模型如圖5所示。

圖5　艦船建造可靠性預(yù)測(cè)模型Fig.5Construction reliability prediction model for ship construction

1.2.4關(guān)鍵質(zhì)量控制

基于質(zhì)量參數(shù)—特征功能的FTA可靠性模型，引入質(zhì)量參數(shù)關(guān)鍵重要度表示該質(zhì)量參數(shù)對(duì)特征功能發(fā)生故障的貢獻(xiàn)程度，即關(guān)鍵重要度越大，由該質(zhì)量參數(shù)故障引發(fā)的特征功能故障的可能性越大。

2　FOQC模型計(jì)算方法

FOQC方法的主體模型——艦船建造可靠性預(yù)測(cè)模型以質(zhì)量參數(shù)為樞紐，由工藝—質(zhì)量參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)—特征功能這2個(gè)可靠性模型構(gòu)成。

2.1工藝—質(zhì)量參數(shù)可靠性模型

在PFMEA工作基礎(chǔ)上，依據(jù)工序間的邏輯關(guān)系，分析如下3種形式的基本工藝—質(zhì)量參數(shù)可靠性模型［13］。

2.1.1順序關(guān)聯(lián)模型

假設(shè)某質(zhì)量參數(shù)xm由h個(gè)工序tj（j=1,2,...,h）加工完成，將影響質(zhì)量參數(shù)的工序按照先后加工順序，建立工藝對(duì)質(zhì)量參數(shù)的順序關(guān)聯(lián)模型（圖6）。

如圖6所示，制造質(zhì)量參數(shù)xm由h個(gè)有先后次序的相關(guān)工序完成，即每一個(gè)相關(guān)工序的輸出會(huì)影響制造質(zhì)量參數(shù)xm。每一個(gè)工序輸出的質(zhì)量參數(shù)滿足要求的概率可以表示為基于工藝自修正性的特點(diǎn)，需要考慮的是，即使第j個(gè)工序的輸出超出工藝規(guī)范，依舊可能被后續(xù)工序修正，這個(gè)可以被修正的概率為

以2個(gè)順序關(guān)聯(lián)的工序?yàn)槔?，其輸出的質(zhì)量參數(shù)xm滿足要求的概率，亦即這2個(gè)工序過程的工藝可靠度P（xm）可以表示為

對(duì)于h個(gè)順序關(guān)聯(lián)的加工工序，其輸出的質(zhì)量參數(shù)滿足要求的概率可從式（7）中類推求得。

圖6　順序關(guān)聯(lián)模型Fig.6Ordinal connection model

2.1.2串聯(lián)模型

假設(shè)質(zhì)量參數(shù)xm由h個(gè)工序加工完成，當(dāng)且僅當(dāng)這h個(gè)工序均不發(fā)生故障時(shí)，才能保證相應(yīng)的質(zhì)量參數(shù)滿足規(guī)范要求，具體如圖7所示。

圖7　串聯(lián)模型Fig.7Series connection model

假設(shè)串聯(lián)模型內(nèi)h個(gè)工序都是獨(dú)立的，則輸出的工藝可靠度P（xm）可以表示為

2.1.3混聯(lián)模型

將工藝對(duì)質(zhì)量參數(shù)的順序關(guān)聯(lián)模型與串聯(lián)模型融合到一起，成為混聯(lián)模型。以裝配工藝為例，只有在裝配零件1和2均符合要求，且裝配工藝不發(fā)生故障的情況下，才能保證輸出的質(zhì)量參數(shù)，如同軸度是符合規(guī)范要求的，具體如圖8所示。

如圖8所示，質(zhì)量參數(shù)xm由建造過程質(zhì)量參數(shù)α和β并在裝配工序h+1下完成，則相應(yīng)的工藝可靠度P（xm）可以表示為

式中，P（α）和P（β）代表建造過程質(zhì)量參數(shù)α和β滿足要求的概率，可由順序關(guān)聯(lián)模型求出。

圖8　混聯(lián)模型Fig.8Mix connection mode

考慮到目前階段建造工序故障尚無(wú)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，且有大量的故障是人為因素導(dǎo)致，可以采用專家評(píng)分法對(duì)各工序故障概率及修正概率進(jìn)行評(píng)估，獲得定量數(shù)據(jù)［14］。

2.2質(zhì)量參數(shù)—特征功能可靠性模型

由式（4）可知，該模型的目標(biāo)在于求得故障樹頂事件的發(fā)生概率P（Ftop）。

由式（7）～式（9）可得質(zhì)量參數(shù)符合工藝規(guī)范的概率，即工藝可靠度P（xm），其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量參數(shù)故障概率為

將質(zhì)量參數(shù)故障概率視為底事件發(fā)生概率，根據(jù)故障樹最小割集理論，采用下行法可求得故障樹的最小割集并計(jì)算頂事件發(fā)生概率。故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)ψ（x）可表示為

式中：Gj（x）表示第（j1≤j≤J）個(gè)最小割集，假設(shè)第j個(gè)最小割集內(nèi)有M個(gè)單元；xi（1≤i≤M）表示割集所對(duì)應(yīng)的底事件向量，其對(duì)應(yīng)質(zhì)量參數(shù)故障的事件。

則該故障樹頂事件的發(fā)生概率為

假設(shè)最小割集Gj（x）內(nèi)底事件向量為｛x1'x2'...'xn｝，則有

由式（12）和式（13）可求得P（Ftop），該過程可借助故障樹分析軟件［11］等進(jìn)行計(jì)算。

3　典型實(shí)例應(yīng)用

以某型號(hào)艦船進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用。

3.1艦船總體功能分解

以順利完成作戰(zhàn)任務(wù)為艦船總體目標(biāo)功能，分解得到海上機(jī)動(dòng)航行功能、通信和導(dǎo)航功能、武器裝備作戰(zhàn)功能、艦員生活保障功能等。鑒于篇幅限制，僅以主機(jī)軸系安裝作為最低約定層次建造模塊進(jìn)行示例分析。如表3所示，逐級(jí)分解至該建造模塊的特征功能及其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量參數(shù)。

表3　軸系安裝功能—質(zhì)量參數(shù)關(guān)聯(lián)矩陣表Tab.3Function-quality parameter correlation matrix for shafting installation

3.2工藝對(duì)質(zhì)量參數(shù)影響分析

基于PFMEA技術(shù)，對(duì)軸系安裝工藝對(duì)質(zhì)量參數(shù)的影響進(jìn)行分析。示例表如表4所示。

表4　軸系安裝工藝PFMEA示例表Tab.4PFMEA sample table for shifting installation process

3.3建造可靠性預(yù)測(cè)模型及計(jì)算

3.3.1工藝—質(zhì)量參數(shù)可靠性模型

軸系安裝是一個(gè)復(fù)雜過程，受篇幅所限，選取軸系安裝工藝過程中的齒輪箱定位安裝為典型過程進(jìn)行分析。齒輪箱安裝主要有2個(gè)質(zhì)量參數(shù)：一是安裝牢固度，要求符合固定規(guī)范；二是齒輪箱輸出軸中心偏差度，要求不大于0.05 mm。

工藝—質(zhì)量參數(shù)1可靠性模型如圖9所示。

圖9　工藝—質(zhì)量參數(shù)1可靠性模型Fig.9Process-quality parameter 1 reliability model

質(zhì)量參數(shù)2由3個(gè)過程參數(shù)組成，其工藝可靠性模型如圖10所示。

其他質(zhì)量參數(shù)可依此建模，完成15個(gè)工藝—質(zhì)量參數(shù)可靠性模型。

圖10　工藝—質(zhì)量參數(shù)2可靠性模型Fig.10Process-quality parameter 2 reliability model

3.3.2質(zhì)量參數(shù)—特征功能可靠性模型

將軸系安裝建造模塊特征功能——傳遞柴油機(jī)功率故障作為頂事件，15個(gè)質(zhì)量參數(shù)故障作為底事件，不同質(zhì)量參數(shù)故障導(dǎo)致的不同故障類型作為中間事件，建立故障樹模型如圖11所示。

圖11　軸系安裝工藝質(zhì)量參數(shù)—特征功能故障樹Fig.11Quality-function fault tree for shifting installation

3.4關(guān)鍵質(zhì)量控制

根據(jù)前期專家對(duì)各工序故障概率及其修正概率的評(píng)分結(jié)果，軸系安裝質(zhì)量參數(shù)故障概率見表5。

將質(zhì)量參數(shù)—特征功能故障樹模型輸入CTIGER，自動(dòng)計(jì)算故障樹所有最小割集。根據(jù)

式（5），輸入底事件數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得P（Ftop）= 0.045，則rc=1-P（Ftop）=0.955。

根據(jù)式（3），顯然，考慮建造質(zhì)量影響降低了原子系統(tǒng)的可靠度。而根據(jù)表5中質(zhì)量參數(shù)關(guān)鍵重要度ImCR的大小，可知軸系安裝建造模塊的關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)為齒輪箱輸出軸校中安裝。進(jìn)而參照該關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)的PFMEA分析結(jié)果，對(duì)RPN較高的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)控制，保證其滿足工藝檢驗(yàn)要求。

表5　軸系安裝質(zhì)量參數(shù)故障概率及關(guān)鍵重要度Tab.5Shafting installation quality parameter fault probability and critical Importance

4　結(jié)語(yǔ)

可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的，是靠建造實(shí)現(xiàn)的。實(shí)施FOQC方法，能定性及定量地分析建造質(zhì)量對(duì)艦船可靠性的影響，并依據(jù)分析結(jié)果，對(duì)關(guān)鍵質(zhì)量點(diǎn)與關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行控制與優(yōu)化，可為艦船建造質(zhì)量的檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)提供參考。

在FOQC方法實(shí)施過程中，構(gòu)建了艦船建造可靠性預(yù)測(cè)模型。在后續(xù)工作中，可以引入更合理、精確的工藝評(píng)價(jià)定量化方法，如層次分析、模糊數(shù)學(xué)等，對(duì)艦船建造這一多階段、多工序的復(fù)雜系統(tǒng)工程進(jìn)行管理。同時(shí)，還需進(jìn)一步提高艦船建造過程測(cè)量技術(shù)，合理設(shè)置數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，累積更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，完善FOQC方法和模型，更科學(xué)地預(yù)測(cè)、控制艦船建造質(zhì)量對(duì)總體可靠性的影響。

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A function-oriented quality control method for ship construction

WANG Hongdong1，2，LIANG Xiaofeng1，2，YU Ping3，YI Hong1，2，ZHANG Yufang1，2
1 State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China
2 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China
3 Final Assembly Department，Jiangnan Shipyard（Group）Co.，Ltd.，Shanghai 201913，China

As ship construction is a large-scale，complex and problematic process，it lacks systematic research into how construction quality influences ship reliability.Aiming at the purpose of predicting and controlling ship reliability，this paper proposes a Function-Oriented Quality Control（FOQC）method to manage a ship's overall functions under modern ship-building conditions.Based on the system reliability theory，a reliability prediction model for ship construction composed of such factors as ship function，quality parameters and building process is proposed.We establish a quality-function reliability model and a process-quality model to both qualitatively and quantitatively calculate the impact of construction quality on ship reliability.According to the results，the control of key quality factors and processes can be implemented.The feasibility and effectiveness of the FOQC method are validated by a case involving the shafting installation of a ship.

ship reliability；function；quality；process；FOQC

U671.97

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.020

2016-03-01網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-9-21 11:57

王鴻東，男，1989年生，博士生。研究方向：艦船可靠性，水動(dòng)力學(xué)。

E-mail：whd302@sjtu.edu.cn

梁曉鋒（通信作者），男，1976年生，博士，助理研究員。研究方向：艦船可靠性。

E-mail：liang_xiaofeng@sjtu.edu.cn