鱼雷可靠性与性能一体化设计方法

陈 欢 ,王斗辉

(1.中国船舶集团有限公司 第705 研究所,陕西 西安,710077;2.中国电子产品可靠性与环境试验研究所,广东 广州,615123)

0 引言

随着使用方对鱼雷装备可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性以及环境适应性等通用质量特性要求的提高,鱼雷型号研制中可靠性设计工作也在逐步深入和规范,但鱼雷在内外场试验中仍会暴露出产品可靠性问题,究其原因之一是可靠性设计与性能设计存在脱节现象[1],即在设计方法、产品技术状态和工作进度等多方面不同步或“重性能轻可靠性”,导致鱼雷产品出现故障频出、设计改进难度大、成本高以及周期长等问题。因此,在有限的研制周期内,要同时满足鱼雷装备的功能性能要求和以可靠性为中心的通用质量要求,就需要合理构建可靠性与性能一体化设计方法,提升设计能力和设计效率,将可靠性设计切实融入产品研发设计中,使鱼雷装备产品不仅具有先进的性能指标,而且能做到高可靠、好保障。近年来,性能与可靠性一体化设计已成为装备可靠性工程领域的一个重要方面,但水中兵器行业相关研究较少。文章在借鉴航空、航天领域国内外多种研究思想和方法[2-6]的基础上,结合我国鱼雷型号研制特点,总结鱼雷可靠性工程实践经验,探索提出一套适合鱼雷研制的可靠性与性能一体化设计的基本思路和方法。

1 可靠性与性能的关系

可靠性学科和性能学科涉及2 种技术体系,可靠性学科关注鱼雷长期使用过程中正常满足任务需求的概率,而性能设计更关注鱼雷先进性和完成任务的能力,二者相辅相成又互为制约,二者的协同设计是一个权衡博弈的过程。在鱼雷型号研制中,通常是设计人员先进行性能设计迭代,使系统在各组件都满足性能要求正常工作后,再进行可靠性分析和可靠性验证及改进。经过多次迭代才能同时满足性能和可靠性要求,使得研制周期变长、研制成本增加。鱼雷可靠性与性能一体化设计则依托协同设计和多学科优化等先进设计理念,让鱼雷产品设计师、可靠性工程师和质量工程师等协同工作,综合考虑鱼雷研制全过程(论证、方案、初样和正样、状态鉴定以及使用保障)的可靠性设计要求[7]和性能设计要求开展相关设计。

鱼雷装备性能要求需针对组成鱼雷的控制、自导、结构、供电、动力、引战和内测等分系统的不同功能性能特征[8]制定,可靠性要求根据鱼雷装备部队的使用保障需求确定,包括定量要求(实航可靠度、贮存可靠度、装载可靠度和寿命等)和定性要求(如简化设计、环境设计、热设计、降额设计和容错设计等)。可靠性与性能一体化设计需求关系如图1 所示。

图1 鱼雷可靠性与性能一体化设计需求关系图Fig.1 Relationship of torpedo reliability and performance integrated design requirements

2 一体化设计基本思路和方法

鱼雷可靠性和性能一体化设计的基本思路是:在鱼雷实战环境影响因素分析、可靠性指标论证、可靠性工作流程规划以及可靠性仿真分析等基础上,将可靠性管理、设计、试验和评估等工作科学合理地融入型号各研制阶段,协同进行性能与可靠性设计,以系统功能设计为起点,性能仿真分析为主线,完成一系列与可靠性有关的分析工作,再权衡优化,最后在全雷层面进行一体化的综合优化分析设计,以提高装备设计效率,实现鱼雷可靠性和性能水平的协调提升。主要方法如下。

1) 以鱼雷装备的功能和性能设计为主线,将整个过程细分为论证、方案和研制等不同阶段,进行各阶段总体、各系统及组部件开展的功能性能设计(电路、结构和接口等)、性能仿真及试验等工作。

2) 以鱼雷装备可靠性设计为主线,将全雷可靠性、维修性等要求逐层分解至系统和组件,明确鱼雷装备研制过程中需开展的可靠性、维修性等通用质量特性工作项目,制定工作计划和设计准则。

3) 研究性能设计与可靠性设计数据流之间的交互、约束、输入和输出等关系,如总体设计方案与可靠性指标的分配和预计之间、电路设计与可靠性指标预计和元器件选型之间、可靠性设计准则与产品电路和结构设计之间以及产品设计方案与保障资源之间等。

4) 根据可靠性与性能设计之间的交互关系,建立鱼雷可靠性与性能一体化优化模型,将研制阶段需开展的可靠性工作项目融入到装备各研制阶段的性能设计中,实现可靠性与性能一体化设计,并明确在各研制阶段的设计流程中每个工作项目的输出和输入要求。

鱼雷可靠性与性能一体化设计的基本思路和方法如图2 所示。

图2 鱼雷可靠性与性能一体化设计总体思路Fig.2 Overall idea of torpedo reliability and performance integrated design

3 一体化设计实现

鱼雷可靠性应该与性能特性进行同步设计、同步实现。在当前产品性能数字化仿真、可靠性仿真等技术手段的支撑下,实现产品寿命周期各阶段的可靠性评价以及可靠性与性能的同步优化。

3.1 需求分析

鱼雷特征和任务需求分析是开展可靠性与性能一体化设计的重要基础,包括鱼雷的作战任务和使命需求、鱼雷组成和工作原理、任务剖面、寿命剖面、寿命周期内的典型环境条件和影响因素、可靠性和性能水平现状等。根据需求分析,开展鱼雷可靠性和性能指标一体化论证,以实现鱼雷可靠性和性能指标要求的高度匹配。同时根据指标要求,开展可靠性指标分配和性能设计工作流程规划制定,确定初步的可靠性和性能设计准则。

3.2 可靠性与性能一体化模型建立

建立一体化模型是开展鱼雷性能与可靠性协同设计的基本手段。一体化模型通常包括优化目标、约束条件和扰动因素三部分要素。优化目标通常采用鱼雷顶层战技指标(航程、航速、航深以及自导性能等);约束条件是鱼雷各基本性能和可靠性指标的可行域范围;扰动因素包括鱼雷设计过程中的各种内外界不确定性因素(例如寿命周期内环境条件)。

3.3 可靠性与性能协同设计

可靠性与性能的协同设计是通过对一体化模型的优化求解,获取同时满足性能和可靠性的约束条件,优化目标最优的鱼雷设计方案。模型的优化求解通常可结合试验设计的方法提高求解效率,并结合鱼雷的设计仿真和试验等手段给出不同水平约束条件下的模型目标值,选出的目标值最优方案在满足可靠性与性能指标要求的同时达到作战效能最优,从而实现可靠性与性能的协调设计。

3.4 可靠性与性能一体化评价

一体化评价是对鱼雷战技指标、功能性能指标和可靠性指标要求的综合评价过程。功能性能评价侧重于对鱼雷功能性能战技指标边界值的达成情况,可靠性评价则考核鱼雷在规定的任务时间内完成规定功能的概率。在可靠性与性能一体化评价过程中,要围绕指标评价的任务想定、环境构建、评价方法和数据采集等要素,从指标预计、仿真和试验各方面充分实现一体化统筹安排。

鱼雷可靠性与性能一体化设计的技术实现如图3 所示。

图3 鱼雷可靠性与性能一体化设计技术实现图Fig.3 Technical realization diagram of torpedo reliability and performance integration design

4 一体化设计优化模型

4.1 基本优化模型

性能设计和可靠性设计二者关注的都是产品的核心特性,可控设计因素的改变会引起核心特性的改变,同样会引起产品性能指标和可靠性指标的改变。通过选取合理的设计因素,使产品达到既具有高性能指标又满足可靠性要求的设计状态,需要找到可靠性与性能设计因素的关系,建立可靠性与性能一体化设计优化模型。性能设计与可靠性设计的本质区别是: 性能设计通过改变设计因素(设计变量)X,追求标准条件下的最优特性(耦合变量)Y;而可靠性设计则通过改变设计因素(设计变量)X,追求的是存在干扰N的条件下,产品依然要以最大的概率保持最低特性要求Y*,进而通过定量的分析结果实现对可靠性与性能设计的协调优化。二者关系如图4 所示。

图4 可靠性与性能一体化设计关系图Fig.4 Relationship of reliability and performance integrated design

结合图4 所示关系,明确鱼雷设计优化目标,以性能和可靠性的指标范围作为约束条件,建立可靠性与性能一体设计优化数学模型为

式中:f(X,Y)为优化性能目标函数;g(X,Y)为约束函数;R(X,Y)为设计变量和耦合变量控制的可靠性函数。

考虑到设计中通常需要鱼雷可靠性满足相应的指标要求即可,也可将可靠性放入约束函数,同时综合考虑不确定性因素,则式(1)模型可修正为

式中:d为确定性设计变量;R为可靠性要求。

式(2)即为鱼雷可靠性与性能一体化设计优化基本模型,适用于鱼雷型号论证、方案和研制等各阶段,具体应用需根据不同阶段的优化目标及约束条件再作细化。

4.2 算例分析

以项目论证阶段鱼雷可靠性指标论证为例,一般期望达到鱼雷作战效能最优、战备完好率高且经济性最佳。假设某型鱼雷给定的研制经费为C0,战备完好率要求不小于则要求以作战效能不小于W(1)*(W(1)为1 条鱼雷在规定条件下发射命中目标并击毁的概率)最优进行指标论证。在进行鱼雷作战效能和可靠性指标关联性分析[9-11]的基础上,考虑研制经费与可靠性和性能指标间的函数关系,即成本估算关系(cost estimating relationship,CER)[12-13],最终将一体化设计模型[14-15]优化为

式中:f(Por,P2)为战备完好率和击毁概率的经费函数,通过达到规定的可靠性和性能指标所需原材料和元器件等的制造成本决定;RS(tS)为鱼雷贮存可靠度,tS为贮存时间;RS(tC)为鱼雷装载可靠度,tC为装载时间;RW为鱼雷实航任务可靠度;P2为鱼雷能够击毁敌方目标的击毁概率,它与鱼雷的威力、自导精度、目标性质和毁伤定义等因素有关;MS(td)为维修度,即在规定时间td内完成修复故障鱼雷任务的概率;为维修度最低可接受值;t0为修理允许延误时间。

假定单条鱼雷采购经费C不多于1 100 万,在置信度为0.8 的情况下对部分指标要求为: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;战备完好率Por≥0.9。

假设将各可靠性指标约束上限设置为0.95,典型任务为2 发齐射,要求最多6 发齐射的作战效能W(6)≥0.995,以单发作战效能W(1)最优进行指标论证。将以上约束条件和数值带入式(3)得到

计算得到各指标最优解如表1 所示。

表1 指标论证优化结果Table 1 Integration index demonstration and optimization results

通过以上优化模型算例可以看出,在鱼雷指标论证过程中,以作战效能最佳为优化目标,建立鱼雷可靠性和性能指标一体化优化模型,减少了迭代计算经费要求、可靠性指标要求和性能指标要求的工作量;按传统论证方案至少需要迭代计算1 次以上,采用一体化优化模型则一次优化求解的计算效率提升50%以上,极大缩短了指标论证的迭代周期,同时为提出可靠性与性能指标、经费需求协调一致的指标体系提供了工程实践方案。

5 结束语

文中结合以往鱼雷研制可靠性工程实践,对鱼雷可靠性与性能一体化设计方法进行了初步研究,在分析可靠性与性能需求关系的基础上,提出鱼雷可靠性与性能一体化设计的基本思路和实现途径。在技术实现上提出了一体化设计流程及一体化设计优化模型,并通过具体算例分析证明了该模型在提高设计效率、实现鱼雷产品性能与可靠性设计同步优化方面具有明显效果。鱼雷可靠性与性能一体化设计方法一定程度上解决了鱼雷产品性能设计与可靠性设计脱节问题,使得鱼雷产品设计在满足可靠性要求、性能要求及效费比的同时,研制周期和研制经费也得以降低,该方法可推广应用于水中兵器各型号研制工作,具有良好工程借鉴意义。