魚雷可靠性與性能一體化設計方法

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.中國電子產品可靠性與環境試驗研究所,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、安全性以及環境適應性等通用質量特性要求的提高,魚雷型號研制中可靠性設計工作也在逐步深入和規范,但魚雷在內外場試驗中仍會暴露出產品可靠性問題,究其原因之一是可靠性設計與性能設計存在脫節現象[1],即在設計方法、產品技術狀態和工作進度等多方面不同步或“重性能輕可靠性”,導致魚雷產品出現故障頻出、設計改進難度大、成本高以及周期長等問題。因此,在有限的研制周期內,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量要求,就需要合理構建可靠性與性能一體化設計方法,提升設計能力和設計效率,將可靠性設計切實融入產品研發設計中,使魚雷裝備產品不僅具有先進的性能指標,而且能做到高可靠、好保障。近年來,性能與可靠性一體化設計已成為裝備可靠性工程領域的一個重要方面,但水中兵器行業相關研究較少。文章在借鑒航空、航天領域國內外多種研究思想和方法[2-6]的基礎上,結合我國魚雷型號研制特點,總結魚雷可靠性工程實踐經驗,探索提出一套適合魚雷研制的可靠性與性能一體化設計的基本思路和方法。

1 可靠性與性能的關系

可靠性學科和性能學科涉及2 種技術體系,可靠性學科關注魚雷長期使用過程中正常滿足任務需求的概率,而性能設計更關注魚雷先進性和完成任務的能力,二者相輔相成又互為制約,二者的協同設計是一個權衡博弈的過程。在魚雷型號研制中,通常是設計人員先進行性能設計迭代,使系統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計則依托協同設計和多學科優化等先進設計理念,讓魚雷產品設計師、可靠性工程師和質量工程師等協同工作,綜合考慮魚雷研制全過程(論證、方案、初樣和正樣、狀態鑒定以及使用保障)的可靠性設計要求[7]和性能設計要求開展相關設計。

魚雷裝備性能要求需針對組成魚雷的控制、自導、結構、供電、動力、引戰和內測等分系統的不同功能性能特征[8]制定,可靠性要求根據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(如簡化設計、環境設計、熱設計、降額設計和容錯設計等)。可靠性與性能一體化設計需求關系如圖1 所示。

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

2 一體化設計基本思路和方法

魚雷可靠性和性能一體化設計的基本思路是:在魚雷實戰環境影響因素分析、可靠性指標論證、可靠性工作流程規劃以及可靠性仿真分析等基礎上,將可靠性管理、設計、試驗和評估等工作科學合理地融入型號各研制階段,協同進行性能與可靠性設計,以系統功能設計為起點,性能仿真分析為主線,完成一系列與可靠性有關的分析工作,再權衡優化,最后在全雷層面進行一體化的綜合優化分析設計,以提高裝備設計效率,實現魚雷可靠性和性能水平的協調提升。主要方法如下。

1) 以魚雷裝備的功能和性能設計為主線,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、各系統及組部件開展的功能性能設計(電路、結構和接口等)、性能仿真及試驗等工作。

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

3) 研究性能設計與可靠性設計數據流之間的交互、約束、輸入和輸出等關系,如總體設計方案與可靠性指標的分配和預計之間、電路設計與可靠性指標預計和元器件選型之間、可靠性設計準則與產品電路和結構設計之間以及產品設計方案與保障資源之間等。

4) 根據可靠性與性能設計之間的交互關系,建立魚雷可靠性與性能一體化優化模型,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計中,實現可靠性與性能一體化設計,并明確在各研制階段的設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計總體思路Fig.2 Overall idea of torpedo reliability and performance integrated design

3 一體化設計實現

魚雷可靠性應該與性能特性進行同步設計、同步實現。在當前產品性能數字化仿真、可靠性仿真等技術手段的支撐下,實現產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化。

3.1 需求分析

魚雷特征和任務需求分析是開展可靠性與性能一體化設計的重要基礎,包括魚雷的作戰任務和使命需求、魚雷組成和工作原理、任務剖面、壽命剖面、壽命周期內的典型環境條件和影響因素、可靠性和性能水平現狀等。根據需求分析,開展魚雷可靠性和性能指標一體化論證,以實現魚雷可靠性和性能指標要求的高度匹配。同時根據指標要求,開展可靠性指標分配和性能設計工作流程規劃制定,確定初步的可靠性和性能設計準則。

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同設計的基本手段。一體化模型通常包括優化目標、約束條件和擾動因素三部分要素。優化目標通常采用魚雷頂層戰技指標(航程、航速、航深以及自導性能等);約束條件是魚雷各基本性能和可靠性指標的可行域范圍;擾動因素包括魚雷設計過程中的各種內外界不確定性因素(例如壽命周期內環境條件)。

3.3 可靠性與性能協同設計

可靠性與性能的協同設計是通過對一體化模型的優化求解,獲取同時滿足性能和可靠性的約束條件,優化目標最優的魚雷設計方案。模型的優化求解通常可結合試驗設計的方法提高求解效率,并結合魚雷的設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值,選出的目標值最優方案在滿足可靠性與性能指標要求的同時達到作戰效能最優,從而實現可靠性與性能的協調設計。

3.4 可靠性與性能一體化評價

一體化評價是對魚雷戰技指標、功能性能指標和可靠性指標要求的綜合評價過程。功能性能評價側重于對魚雷功能性能戰技指標邊界值的達成情況,可靠性評價則考核魚雷在規定的任務時間內完成規定功能的概率。在可靠性與性能一體化評價過程中,要圍繞指標評價的任務想定、環境構建、評價方法和數據采集等要素,從指標預計、仿真和試驗各方面充分實現一體化統籌安排。

魚雷可靠性與性能一體化設計的技術實現如圖3 所示。

圖3 魚雷可靠性與性能一體化設計技術實現圖Fig.3 Technical realization diagram of torpedo reliability and performance integration design

4 一體化設計優化模型

4.1 基本優化模型

性能設計和可靠性設計二者關注的都是產品的核心特性,可控設計因素的改變會引起核心特性的改變,同樣會引起產品性能指標和可靠性指標的改變。通過選取合理的設計因素,使產品達到既具有高性能指標又滿足可靠性要求的設計狀態,需要找到可靠性與性能設計因素的關系,建立可靠性與性能一體化設計優化模型。性能設計與可靠性設計的本質區別是: 性能設計通過改變設計因素(設計變量)X,追求標準條件下的最優特性(耦合變量)Y;而可靠性設計則通過改變設計因素(設計變量)X,追求的是存在干擾N的條件下,產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果實現對可靠性與性能設計的協調優化。二者關系如圖4 所示。

圖4 可靠性與性能一體化設計關系圖Fig.4 Relationship of reliability and performance integrated design

結合圖4 所示關系,明確魚雷設計優化目標,以性能和可靠性的指標范圍作為約束條件,建立可靠性與性能一體設計優化數學模型為

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

考慮到設計中通常需要魚雷可靠性滿足相應的指標要求即可,也可將可靠性放入約束函數,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計優化基本模型,適用于魚雷型號論證、方案和研制等各階段,具體應用需根據不同階段的優化目標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論證為例,一般期望達到魚雷作戰效能最優、戰備完好率高且經濟性最佳。假設某型魚雷給定的研制經費為C0,戰備完好率要求不小于則要求以作戰效能不小于W(1)*(W(1)為1 條魚雷在規定條件下發射命中目標并擊毀的概率)最優進行指標論證。在進行魚雷作戰效能和可靠性指標關聯性分析[9-11]的基礎上,考慮研制經費與可靠性和性能指標間的函數關系,即成本估算關系(cost estimating relationship,CER)[12-13],最終將一體化設計模型[14-15]優化為

式中:f(Por,P2)為戰備完好率和擊毀概率的經費函數,通過達到規定的可靠性和性能指標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為魚雷實航任務可靠度;P2為魚雷能夠擊毀敵方目標的擊毀概率,它與魚雷的威力、自導精度、目標性質和毀傷定義等因素有關;MS(td)為維修度,即在規定時間td內完成修復故障魚雷任務的概率;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費C不多于1 100 萬,在置信度為0.8 的情況下對部分指標要求為: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;戰備完好率Por≥0.9。

假設將各可靠性指標約束上限設置為0.95,典型任務為2 發齊射,要求最多6 發齊射的作戰效能W(6)≥0.995,以單發作戰效能W(1)最優進行指標論證。將以上約束條件和數值帶入式(3)得到

計算得到各指標最優解如表1 所示。

表1 指標論證優化結果Table 1 Integration index demonstration and optimization results

通過以上優化模型算例可以看出,在魚雷指標論證過程中,以作戰效能最佳為優化目標,建立魚雷可靠性和性能指標一體化優化模型,減少了迭代計算經費要求、可靠性指標要求和性能指標要求的工作量;按傳統論證方案至少需要迭代計算1 次以上,采用一體化優化模型則一次優化求解的計算效率提升50%以上,極大縮短了指標論證的迭代周期,同時為提出可靠性與性能指標、經費需求協調一致的指標體系提供了工程實踐方案。

5 結束語

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