魚(yú)雷可靠性與性能一體化設(shè)計(jì)方法

陳 歡 ,王斗輝

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

0 引言

隨著使用方對(duì)魚(yú)雷裝備可靠性、維修性、測(cè)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(yú)雷型號(hào)研制中可靠性設(shè)計(jì)工作也在逐步深入和規(guī)范,但魚(yú)雷在內(nèi)外場(chǎng)試驗(yàn)中仍會(huì)暴露出產(chǎn)品可靠性問(wèn)題,究其原因之一是可靠性設(shè)計(jì)與性能設(shè)計(jì)存在脫節(jié)現(xiàn)象[1],即在設(shè)計(jì)方法、產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)和工作進(jìn)度等多方面不同步或“重性能輕可靠性”,導(dǎo)致魚(yú)雷產(chǎn)品出現(xiàn)故障頻出、設(shè)計(jì)改進(jìn)難度大、成本高以及周期長(zhǎng)等問(wèn)題。因此,在有限的研制周期內(nèi),要同時(shí)滿足魚(yú)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(jì)方法,提升設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)效率,將可靠性設(shè)計(jì)切實(shí)融入產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)中,使魚(yú)雷裝備產(chǎn)品不僅具有先進(jìn)的性能指標(biāo),而且能做到高可靠、好保障。近年來(lái),性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)已成為裝備可靠性工程領(lǐng)域的一個(gè)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(guó)內(nèi)外多種研究思想和方法[2-6]的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)魚(yú)雷型號(hào)研制特點(diǎn),總結(jié)魚(yú)雷可靠性工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),探索提出一套適合魚(yú)雷研制的可靠性與性能一體化設(shè)計(jì)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(yú)雷長(zhǎng)期使用過(guò)程中正常滿足任務(wù)需求的概率,而性能設(shè)計(jì)更關(guān)注魚(yú)雷先進(jìn)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(jì)是一個(gè)權(quán)衡博弈的過(guò)程。在魚(yú)雷型號(hào)研制中,通常是設(shè)計(jì)人員先進(jìn)行性能設(shè)計(jì)迭代,使系統(tǒng)在各組件都滿足性能要求正常工作后,再進(jìn)行可靠性分析和可靠性驗(yàn)證及改進(jìn)。經(jīng)過(guò)多次迭代才能同時(shí)滿足性能和可靠性要求,使得研制周期變長(zhǎng)、研制成本增加。魚(yú)雷可靠性與性能一體化設(shè)計(jì)則依托協(xié)同設(shè)計(jì)和多學(xué)科優(yōu)化等先進(jìn)設(shè)計(jì)理念,讓魚(yú)雷產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yú)雷研制全過(guò)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(jì)要求[7]和性能設(shè)計(jì)要求開(kāi)展相關(guān)設(shè)計(jì)。

魚(yú)雷裝備性能要求需針對(duì)組成魚(yú)雷的控制、自導(dǎo)、結(jié)構(gòu)、供電、動(dòng)力、引戰(zhàn)和內(nèi)測(cè)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(yú)雷裝備部隊(duì)的使用保障需求確定,包括定量要求(實(shí)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)和容錯(cuò)設(shè)計(jì)等)?？煽啃耘c性能一體化設(shè)計(jì)需求關(guān)系如圖1 所示。

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

2 一體化設(shè)計(jì)基本思路和方法

魚(yú)雷可靠性和性能一體化設(shè)計(jì)的基本思路是:在魚(yú)雷實(shí)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(jì)、試驗(yàn)和評(píng)估等工作科學(xué)合理地融入型號(hào)各研制階段,協(xié)同進(jìn)行性能與可靠性設(shè)計(jì),以系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)為起點(diǎn),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(jìn)行一體化的綜合優(yōu)化分析設(shè)計(jì),以提高裝備設(shè)計(jì)效率,實(shí)現(xiàn)魚(yú)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(yú)雷裝備的功能和性能設(shè)計(jì)為主線,將整個(gè)過(guò)程細(xì)分為論證、方案和研制等不同階段,進(jìn)行各階段總體、各系統(tǒng)及組部件開(kāi)展的功能性能設(shè)計(jì)(電路、結(jié)構(gòu)和接口等)、性能仿真及試驗(yàn)等工作。

2) 以魚(yú)雷裝備可靠性設(shè)計(jì)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(yú)雷裝備研制過(guò)程中需開(kāi)展的可靠性、維修性等通用質(zhì)量特性工作項(xiàng)目,制定工作計(jì)劃和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

3) 研究性能設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)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(jì)方案與可靠性指標(biāo)的分配和預(yù)計(jì)之間、電路設(shè)計(jì)與可靠性指標(biāo)預(yù)計(jì)和元器件選型之間、可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與產(chǎn)品電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案與保障資源之間等。

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

魚(yú)雷可靠性與性能一體化設(shè)計(jì)的基本思路和方法如圖2 所示。

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

3 一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

魚(yú)雷可靠性應(yīng)該與性能特性進(jìn)行同步設(shè)計(jì)、同步實(shí)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品壽命周期各階段的可靠性評(píng)價(jià)以及可靠性與性能的同步優(yōu)化。

3.1 需求分析

魚(yú)雷特征和任務(wù)需求分析是開(kāi)展可靠性與性能一體化設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ),包括魚(yú)雷的作戰(zhàn)任務(wù)和使命需求、魚(yú)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(kāi)展魚(yú)雷可靠性和性能指標(biāo)一體化論證,以實(shí)現(xiàn)魚(yú)雷可靠性和性能指標(biāo)要求的高度匹配。同時(shí)根據(jù)指標(biāo)要求,開(kāi)展可靠性指標(biāo)分配和性能設(shè)計(jì)工作流程規(guī)劃制定,確定初步的可靠性和性能設(shè)計(jì)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(kāi)展魚(yú)雷性能與可靠性協(xié)同設(shè)計(jì)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(dòng)因素三部分要素。優(yōu)化目標(biāo)通常采用魚(yú)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(yú)雷各基本性能和可靠性指標(biāo)的可行域范圍;擾動(dòng)因素包括魚(yú)雷設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)

可靠性與性能的協(xié)同設(shè)計(jì)是通過(guò)對(duì)一體化模型的優(yōu)化求解,獲取同時(shí)滿足性能和可靠性的約束條件,優(yōu)化目標(biāo)最優(yōu)的魚(yú)雷設(shè)計(jì)方案。模型的優(yōu)化求解通?？山Y(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法提高求解效率,并結(jié)合魚(yú)雷的設(shè)計(jì)仿真和試驗(yàn)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(shí)達(dá)到作戰(zhàn)效能最優(yōu),從而實(shí)現(xiàn)可靠性與性能的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。

3.4 可靠性與性能一體化評(píng)價(jià)

一體化評(píng)價(jià)是對(duì)魚(yú)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(píng)價(jià)過(guò)程。功能性能評(píng)價(jià)側(cè)重于對(duì)魚(yú)雷功能性能戰(zhàn)技指標(biāo)邊界值的達(dá)成情況,可靠性評(píng)價(jià)則考核魚(yú)雷在規(guī)定的任務(wù)時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。在可靠性與性能一體化評(píng)價(jià)過(guò)程中,要圍繞指標(biāo)評(píng)價(jià)的任務(wù)想定、環(huán)境構(gòu)建、評(píng)價(jià)方法和數(shù)據(jù)采集等要素,從指標(biāo)預(yù)計(jì)、仿真和試驗(yàn)各方面充分實(shí)現(xiàn)一體化統(tǒng)籌安排。

魚(yú)雷可靠性與性能一體化設(shè)計(jì)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)如圖3 所示。

圖3 魚(yú)雷可靠性與性能一體化設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖Fig.3 Technical realization diagram of torpedo reliability and performance integration design

4 一體化設(shè)計(jì)優(yōu)化模型

4.1 基本優(yōu)化模型

性能設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)二者關(guān)注的都是產(chǎn)品的核心特性,可控設(shè)計(jì)因素的改變會(huì)引起核心特性的改變,同樣會(huì)引起產(chǎn)品性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo)的改變。通過(guò)選取合理的設(shè)計(jì)因素,使產(chǎn)品達(dá)到既具有高性能指標(biāo)又滿足可靠性要求的設(shè)計(jì)狀態(tài),需要找到可靠性與性能設(shè)計(jì)因素的關(guān)系,建立可靠性與性能一體化設(shè)計(jì)優(yōu)化模型。性能設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)的本質(zhì)區(qū)別是: 性能設(shè)計(jì)通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)因素(設(shè)計(jì)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(jì)則通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)因素(設(shè)計(jì)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(jìn)而通過(guò)定量的分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)可靠性與性能設(shè)計(jì)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(jì)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(yú)雷設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)變量和耦合變量控制的可靠性函數(shù)。

考慮到設(shè)計(jì)中通常需要魚(yú)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(shí)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(jì)變量;R為可靠性要求。

式(2)即為魚(yú)雷可靠性與性能一體化設(shè)計(jì)優(yōu)化基本模型,適用于魚(yú)雷型號(hào)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(xì)化。

4.2 算例分析

以項(xiàng)目論證階段魚(yú)雷可靠性指標(biāo)論證為例,一般期望達(dá)到魚(yú)雷作戰(zhàn)效能最優(yōu)、戰(zhàn)備完好率高且經(jīng)濟(jì)性最佳。假設(shè)某型魚(yú)雷給定的研制經(jīng)費(fèi)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(yú)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(jìn)行指標(biāo)論證。在進(jìn)行魚(yú)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(fèi)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(jì)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(fèi)函數(shù),通過(guò)達(dá)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(yú)雷貯存可靠度,tS為貯存時(shí)間;RS(tC)為魚(yú)雷裝載可靠度,tC為裝載時(shí)間;RW為魚(yú)雷實(shí)航任務(wù)可靠度;P2為魚(yú)雷能夠擊毀敵方目標(biāo)的擊毀概率,它與魚(yú)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(shí)間td內(nèi)完成修復(fù)故障魚(yú)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(shí)間。

假定單條魚(yú)雷采購(gòu)經(jīng)費(fèi)C不多于1 100 萬(wàn),在置信度為0.8 的情況下對(duì)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(jìn)行指標(biāo)論證。將以上約束條件和數(shù)值帶入式(3)得到

計(jì)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(guò)以上優(yōu)化模型算例可以看出,在魚(yú)雷指標(biāo)論證過(guò)程中,以作戰(zhàn)效能最佳為優(yōu)化目標(biāo),建立魚(yú)雷可靠性和性能指標(biāo)一體化優(yōu)化模型,減少了迭代計(jì)算經(jīng)費(fèi)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(jì)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(jì)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(shí)為提出可靠性與性能指標(biāo)、經(jīng)費(fèi)需求協(xié)調(diào)一致的指標(biāo)體系提供了工程實(shí)踐方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中結(jié)合以往魚(yú)雷研制可靠性工程實(shí)踐,對(duì)魚(yú)雷可靠性與性能一體化設(shè)計(jì)方法進(jìn)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(yú)雷可靠性與性能一體化設(shè)計(jì)的基本思路和實(shí)現(xiàn)途徑。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上提出了一體化設(shè)計(jì)流程及一體化設(shè)計(jì)優(yōu)化模型,并通過(guò)具體算例分析證明了該模型在提高設(shè)計(jì)效率、實(shí)現(xiàn)魚(yú)雷產(chǎn)品性能與可靠性設(shè)計(jì)同步優(yōu)化方面具有明顯效果。魚(yú)雷可靠性與性能一體化設(shè)計(jì)方法一定程度上解決了魚(yú)雷產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)脫節(jié)問(wèn)題,使得魚(yú)雷產(chǎn)品設(shè)計(jì)在滿足可靠性要求、性能要求及效費(fèi)比的同時(shí),研制周期和研制經(jīng)費(fèi)也得以降低,該方法可推廣應(yīng)用于水中兵器各型號(hào)研制工作,具有良好工程借鑒意義。