以功能為導向的艦船建造質量控制方法

王鴻東，梁曉鋒，余平，易宏，張裕芳

1上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200240

2高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海200240

3江南造船（集團）有限責任公司總裝部，上海201913

以功能為導向的艦船建造質量控制方法

王鴻東1，2，梁曉鋒1，2，余平3，易宏1，2，張裕芳1，2

1上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200240

2高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海200240

3江南造船（集團）有限責任公司總裝部，上海201913

長期以來，由于艦船建造工程浩大、過程復雜、工藝繁多，人們對于建造質量如何影響艦船可靠性缺乏系統性的研究。為實現對考慮建造質量影響的艦船可靠性的科學預測和有效控制，從艦船總體功能的角度出發，在現代造船模式背景下，針對艦船建造提出一種以功能為導向的質量控制（FOQC）方法。融合艦船目標功能、質量參數、建造工藝因素，提出艦船建造可靠性預測模型。建立工藝—質量參數及質量參數—特征功能可靠性模型，對預測模型進行量化計算，獲得建造質量對艦船可靠性影響的定性與定量分析，并依據分析結果，對關鍵質量點與關鍵工藝環節進行控制與優化。以某艦船軸系安裝為實例進行分析，驗證了方法的可行性與有效性，可為艦船建造質量的定量化檢驗與評價提供基礎性方法的原理指導。

艦船可靠性；功能；質量；工藝；FOQC

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1157.002.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：王鴻東，梁曉鋒，余平，等.以功能為導向的艦船建造質量控制方法［J］.中國艦船研究，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：在規定時間內，規定條件下完成規定功能的能力［1］。在艦船可靠性工程中，一般選取艦船總體任務可靠度和固有可用度作為頂層可靠性參數指標［2］。

艦船裝備是典型的小子樣復雜產品，是結構、設備、軟件的集成。集成過程就是建造過程。在目前技術水平下，艦船可靠性的實現方法是在設計階段，自上而下，通過總體可靠性指標的分配，指導設備的選型［2］。通常情況下，只要設備可靠性合格，建造工藝符合現行規范，即可認為艦船可靠性達標，并且在此過程中，將結構問題作為邊界條件，認為結構足夠堅固，可不予考慮其可靠性問題。事實上，這是缺乏理論依據的，在工程上是不得已而為之的辦法。統計發現，制造技術對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

我國在某批量艦船的建造中發現，盡管各船廠所采用的設計圖紙相同，但由于建造質量控制、管理方式不同，導致所生產的艦船可靠性存在較大差異。究其原因，是因為長期以來，艦船可靠性工作僅在總體設計層面上進行，對建造質量如何影響可靠性的機理尚不了解，缺少完整的體系來評價和檢驗艦船建造質量對艦船可靠性的影響。

本文將從保障艦船總體可靠性的角度出發，在現代造船模式背景下，針對艦船建造提出一種以功能為導向的質量控制（FOQC）方法，對艦船目標功能、質量參數、建造工藝等因素進行分析控制，并將該方法實際應用于某型號艦船，驗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現為導向，將裝備的目標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現的功能質量參數，進而通過研究建造工藝對質量參數的實現能力來保障裝備的目標功能實現能力，即可靠性的方法。

如圖1所示，在工藝影響分析鏈上，依據目標功能—質量參數—建造工藝的層級關系，確定影響目標功能的關鍵工藝環節；在目標功能生成鏈上，依據建造工藝—質量參數—目標功能演化關系，制定影響目標功能的工藝優化方案。

FOQC方法過程框圖如圖2所示。

圖1　功能—質量—工藝關系模型Fig.1Function-quality-process connection model

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

1.2關鍵技術與實施步驟

1.2.1艦船總體功能分解

質量功能分解（QFD）方法［4］由日本學者Akao于20世紀60年代提出。該方法將用戶對產品功能的需求分解到產品設計、工藝、建造等多過程的關鍵質量參數，并成功運用于造船、航空器制造等多個工業領域［5-7］。

現代造船模式采用模塊化區域造船，以中間產品為導向，按區域組織生產，殼舾涂作業在空間上分道，時間上有序，實現設計、生產、管理一體化，具體形式如圖3所示［8］。其中，每一層級的一個中間產品即是一個建造模塊，作為組織生產的最基本形式，出現在作業人員或作業小組面前。最低約定層級建造模塊為約定的建造質量控制的最低層級，包括設備、成品化中間產品等。

依照艦船生產方確定的建造模塊分解方式，利用QFD技術，將艦船總體目標功能需求分解為各層級建造模塊的特征功能，并用一組質量參數集對各特征功能進行描述。該過程可借助基于建造模塊的功能—質量參數關聯矩陣表進行（表2）。

圖3　現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—質量參數關聯矩陣表Tab.2Function-quality parameter correlation matrix

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

1.2.2艦船建造工藝對質量參數影響分析

工藝故障模式與影響分析（PFMEA）技術概念于20世紀20年代被首次提出，60年代由NASA作為提升航空器建造質量的方法進行工程應用，隨后被廣泛應用于汽車制造業［9］。國內學者黃一民［10］對艦船建造過程PFMEA方法進行了介紹；上海交通大學對某型登陸艇實施了完整的可靠性工程，包括PFMEA分析研究。該技術的具體實施流程如圖4所示。

1.2.3艦船建造可靠性預測模型

可靠性是質量在時間維度上的體現，是目標功能實現能力的定量化表達［11］。為定量化評價建造質量對艦船可靠性的影響，需建立艦船建造可靠性預測模型。

考慮到任務可靠度的計算方法較固有可靠度更適于描述建造質量的影響，且便于指導設備選型，因此，選取艦船任務可靠度Rm作為建造質量影響的作用指標，根據定義

式中：F為艦船總體任務可靠度函數；Ri為任務可靠度函數的自變量，也是第i個子系統（或設備）的任務可靠度值，即該子系統（或設備）在規定時間內、規定條件下完成規定功能的能力。

定義Rc為建造質量對可靠性的影響系數，即建造任務可靠度，并作為艦船建造可靠性預測模型的頂層參數。式中：f為艦船建造任務可靠度函數；ri為對應于第i個子系統（或設備）的建造模塊的建造任務可靠度值。

定義Rm與Rc的運算關系“×”如下：

式中，R?m為考慮建造質量影響的艦船任務可靠度。

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

式中，P（Ftop）為故障樹頂事件發生概率，

式中：G為故障樹頂事件發生函數；F（xm）為第m個質量參數故障底事件的發生概率，可基于PFMEA分析和可靠性框圖技術，構建建造工藝—質量參數可靠性模型計算獲得。

艦船建造可靠性預測模型如圖5所示。

圖5　艦船建造可靠性預測模型Fig.5Construction reliability prediction model for ship construction

1.2.4關鍵質量控制

基于質量參數—特征功能的FTA可靠性模型，引入質量參數關鍵重要度表示該質量參數對特征功能發生故障的貢獻程度，即關鍵重要度越大，由該質量參數故障引發的特征功能故障的可能性越大。

2　FOQC模型計算方法

FOQC方法的主體模型——艦船建造可靠性預測模型以質量參數為樞紐，由工藝—質量參數、質量參數—特征功能這2個可靠性模型構成。

2.1工藝—質量參數可靠性模型

在PFMEA工作基礎上，依據工序間的邏輯關系，分析如下3種形式的基本工藝—質量參數可靠性模型［13］。

2.1.1順序關聯模型

假設某質量參數xm由h個工序tj（j=1,2,...,h）加工完成，將影響質量參數的工序按照先后加工順序，建立工藝對質量參數的順序關聯模型（圖6）。

如圖6所示，制造質量參數xm由h個有先后次序的相關工序完成，即每一個相關工序的輸出會影響制造質量參數xm。每一個工序輸出的質量參數滿足要求的概率可以表示為基于工藝自修正性的特點，需要考慮的是，即使第j個工序的輸出超出工藝規范，依舊可能被后續工序修正，這個可以被修正的概率為

以2個順序關聯的工序為例，其輸出的質量參數xm滿足要求的概率，亦即這2個工序過程的工藝可靠度P（xm）可以表示為

對于h個順序關聯的加工工序，其輸出的質量參數滿足要求的概率可從式（7）中類推求得。

圖6　順序關聯模型Fig.6Ordinal connection model

2.1.2串聯模型

假設質量參數xm由h個工序加工完成，當且僅當這h個工序均不發生故障時，才能保證相應的質量參數滿足規范要求，具體如圖7所示。

圖7　串聯模型Fig.7Series connection model

假設串聯模型內h個工序都是獨立的，則輸出的工藝可靠度P（xm）可以表示為

2.1.3混聯模型

將工藝對質量參數的順序關聯模型與串聯模型融合到一起，成為混聯模型。以裝配工藝為例，只有在裝配零件1和2均符合要求，且裝配工藝不發生故障的情況下，才能保證輸出的質量參數，如同軸度是符合規范要求的，具體如圖8所示。

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

式中，P（α）和P（β）代表建造過程質量參數α和β滿足要求的概率，可由順序關聯模型求出。

圖8　混聯模型Fig.8Mix connection mode

考慮到目前階段建造工序故障尚無大量的數據進行統計分析，且有大量的故障是人為因素導致，可以采用專家評分法對各工序故障概率及修正概率進行評估，獲得定量數據［14］。

2.2質量參數—特征功能可靠性模型

由式（4）可知，該模型的目標在于求得故障樹頂事件的發生概率P（Ftop）。

由式（7）～式（9）可得質量參數符合工藝規范的概率，即工藝可靠度P（xm），其對應的質量參數故障概率為

將質量參數故障概率視為底事件發生概率，根據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算頂事件發生概率。故障樹的結構函數ψ（x）可表示為

式中：Gj（x）表示第（j1≤j≤J）個最小割集，假設第j個最小割集內有M個單元；xi（1≤i≤M）表示割集所對應的底事件向量，其對應質量參數故障的事件。

則該故障樹頂事件的發生概率為

假設最小割集Gj（x）內底事件向量為｛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］等進行計算。

3　典型實例應用

以某型號艦船進行實例應用。

3.1艦船總體功能分解

以順利完成作戰任務為艦船總體目標功能，分解得到海上機動航行功能、通信和導航功能、武器裝備作戰功能、艦員生活保障功能等。鑒于篇幅限制，僅以主機軸系安裝作為最低約定層次建造模塊進行示例分析。如表3所示，逐級分解至該建造模塊的特征功能及其對應的質量參數。

表3　軸系安裝功能—質量參數關聯矩陣表Tab.3Function-quality parameter correlation matrix for shafting installation

3.2工藝對質量參數影響分析

基于PFMEA技術，對軸系安裝工藝對質量參數的影響進行分析。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建造可靠性預測模型及計算

3.3.1工藝—質量參數可靠性模型

軸系安裝是一個復雜過程，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行分析。齒輪箱安裝主要有2個質量參數：一是安裝牢固度，要求符合固定規范；二是齒輪箱輸出軸中心偏差度，要求不大于0.05 mm。

工藝—質量參數1可靠性模型如圖9所示。

圖9　工藝—質量參數1可靠性模型Fig.9Process-quality parameter 1 reliability model

質量參數2由3個過程參數組成，其工藝可靠性模型如圖10所示。

其他質量參數可依此建模，完成15個工藝—質量參數可靠性模型。

圖10　工藝—質量參數2可靠性模型Fig.10Process-quality parameter 2 reliability model

3.3.2質量參數—特征功能可靠性模型

將軸系安裝建造模塊特征功能——傳遞柴油機功率故障作為頂事件，15個質量參數故障作為底事件，不同質量參數故障導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　軸系安裝工藝質量參數—特征功能故障樹Fig.11Quality-function fault tree for shifting installation

3.4關鍵質量控制

根據前期專家對各工序故障概率及其修正概率的評分結果，軸系安裝質量參數故障概率見表5。

將質量參數—特征功能故障樹模型輸入CTIGER，自動計算故障樹所有最小割集。根據

式（5），輸入底事件數據進行計算，獲得P（Ftop）= 0.045，則rc=1-P（Ftop）=0.955。

根據式（3），顯然，考慮建造質量影響降低了原子系統的可靠度。而根據表5中質量參數關鍵重要度ImCR的大小，可知軸系安裝建造模塊的關鍵質量控制點為齒輪箱輸出軸校中安裝。進而參照該關鍵質量控制點的PFMEA分析結果，對RPN較高的關鍵工藝環節進行重點控制，保證其滿足工藝檢驗要求。

表5　軸系安裝質量參數故障概率及關鍵重要度Tab.5Shafting installation quality parameter fault probability and critical Importance

4　結語

可靠性是設計出來的，是靠建造實現的。實施FOQC方法，能定性及定量地分析建造質量對艦船可靠性的影響，并依據分析結果，對關鍵質量點與關鍵工藝環節進行控制與優化，可為艦船建造質量的檢驗與評價提供參考。

在FOQC方法實施過程中，構建了艦船建造可靠性預測模型。在后續工作中，可以引入更合理、精確的工藝評價定量化方法，如層次分析、模糊數學等，對艦船建造這一多階段、多工序的復雜系統工程進行管理。同時，還需進一步提高艦船建造過程測量技術，合理設置數據采集點，累積更多的基礎數據，完善FOQC方法和模型，更科學地預測、控制艦船建造質量對總體可靠性的影響。

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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網絡出版時間：2016-9-21 11:57

王鴻東，男，1989年生，博士生。研究方向：艦船可靠性，水動力學。

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