基于設計FMEA的艦船設計質量控制技術研究＊

李 明 劉鵬飛 胡 劍

(中國船舶重工集團公司軍工部1) 北京 100192)(海軍駐438廠軍事代表室2) 武漢 430064)

1 引言

艦船的質量是設計出來的,由建造實現的,在使用過程中體現出來的,其質量的源頭在于設計,關鍵也在設計。因此,對于艦船質量管理工作而言,首當其沖的是抓好設計質量的控制。

當前,我國新型艦船研制具有時間緊、批量小、自主設計且邊設計邊建造等特點。面對這些新情況、新問題,有必要在總結現有經驗的基礎上,加大設計質量控制方法與手段的研究力度。其目的是在進度和費用的要求下,盡可能的滿足作戰需求,為部隊提供可靠、頂用的潛艇裝備,有效提高我海軍的作戰能力。

2 艦船設計質量概念

2.1 一般產品設計質量

產品設計質量是決定產品最終質量的關鍵,產品設計質量在產品質量形成的過程中占據著主導地位,因此對產品設計質量的研究越來越受到重視。許多學者都嘗試對產品設計質量作出了定義。

根據菲利普?克勞斯比的質量定義：“質量即是符合要求,而不是好”衍生出質量其它三原則：

1)質量是預防出來的,而不是檢驗出來的。

2)質量的工作標準是零缺陷,而不是可接受的質量水平。

3)質量的衡量標準是“不符合要求的代價”,而不是指數。

逯金聲[1]認為設計質量包括市場調研、研制開發、適用性設計和制造方法設計四個主要方面。袁清珂[2]等指出在傳統的產品設計方法學中,產品設計質量用來表示所設計的產品是否能夠滿足設計任務書中所規定的產品性能指標。羅均等[3]認為產品設計質量是指所設計的產品是否能夠滿足市場需求、性能是否最佳、是否易于制造和維護、經濟性是否合理、對生態環境是否造成危害、風險是否最小等,所以說產品設計質量是一個集技術、經濟、市場、環境等多方面為一體的復雜的、多層次的、且信息不夠完全的綜合系統。王銀書[4]認為產品設計是從明確設計任務開始,到完成圖樣和技術文件為止的技術作業過程。它包括對顧客需求的分析、設計方案的優選、制圖、驗證、定型等一系列內容。郎代兵[5]認為通常情況下產品設計質量包括設計的正確性、合理性和規范性3部分內容。

從逯金聲、袁清珂、羅均、王銀書和郎代兵的研究成果來看,五人對設計質量看法不一。逯金聲主要是從流程上來看待產品設計質量,袁清珂和羅均則是從系統工程的角度來看待產品設計質量,王銀書從作業過程來定義產品設計質量,郎代兵將產品設計質量分為設計的正確性、合理性和規范性三個方面進行研究。以上定義反映了設計質量特征,較為客觀地刻畫了設計質量的特點和內容。另外可以看出,上述對產品設計質量的定義更加重視的是設計成果的實用性,即對設計質量的定義偏重于對設計結果的衡量。

2.2 艦船設計質量

圖1 艦船裝備質量特性概念模型

為了有效表征艦船裝備的質量,其質量特性需要表達軍方、企業和技術人員對艦船裝備質量的多視角的認識與度量,為此,艦船裝備質量特性三層結構的概念模型見圖1。如圖中所示,質量特性由反映軍方使用需求的質量特性維度、反映企業評價與競爭要求的量特性要素和反映工程師設計要求的質量特性屬性所構成,它們構成了艦船裝備質量特性的集合。

艦船裝備質量特性具有多態性、多維性和演化性特點：多態性表現在它必須能夠同時表達用戶質量特性、裝備外在質量特性和裝備內部質量特性;多維性特點主要體現在艦船裝備質量特性集合參數種類和數量上;演化性特點主要體現在艦船裝備各級質量特性信息相互傳遞和反饋過程中。為了讓裝備具備特定的質量特性,首先需要在研制策劃階段確定裝備質量特性集合,然后在研制階段進行質量合成,將質量特性設計進入裝備方案。為了將裝備質量特性合成到方案中去,需要與裝備研制工程緊密關聯,從研制過程中形成裝備質量特性,實現質量特性維度、質量特性要素到質量特性屬性等不同層次的質量需求的依次轉化,明確裝備質量保證目標。

1)技術質量：指設計要求的符合性,設計方法和結果的正確性、可靠性、安全性、經濟性等,一般反映所設計產品的質量。

2)設計驗證的質量：指設計驗證的充分性、正確性和可信性。

3)設計質量的置信度：指設計過程的質量、可視化程度和質量保證級別。

4)“設計”描述的質量：指設計文件的充分性,描述的正確性、可理解性及文件的表觀質量等。

5)“設計”的使用性：指設計的健壯性、可重用性和標準化率。

6)“設計”交付的質量：指提交設計文件的及時性、設計交底的質量等。

從以上質量構成可知定量或定性的設計質量指標是由設計的技術水平、文件質量和過程質量來度量的。

根據一般產品設計質量的概念與內涵,本文認為艦船的設計質量是一個逐步形成的過程,是諸多因素共同作用的結果。

艦船同一般意義上的產品是不同的,體現在其質量上主要是指具有比一般意義上的產品質量更加嚴格的要求,因此體現在其設計質量上是具有諸多方面的特殊性。

根據以上分析,定義艦船設計質量時,應該注意以下幾個方面的內容：

1)與一般產品相比,具有明確的目標性。這是武器裝備設計的根本出發點,也是其最重要的特點之一,因此也是艦船設計質量的重要特點。在艦船的設計過程中,其任務和目標都是明確的,也就是通常所說的作戰任務書。從這一意義上說,艦船的設計質量必須具有明確的目標性。

2)具有一定的時效性。時效性即對時間有一定的要求,設計質量是一個過程質量,然而這個過程不是無限的,體現在一般產品上就是要盡快占領市場,對于武器裝備來說就是要盡快形成戰斗力。武器裝備設計通常要求是在一定的時間范圍內完成,以保證武器裝備及時形成戰斗力。即艦船設計要在一定的時間范圍內,得到達到軍方要求的設計成果,因此,艦船的設計質量是具有一定的時效性的。

3)可以通過預先分析、評估和反饋加以提高,這是設計質量與制造質量、檢驗質量和使用質量最本質的區別。艦船的設計質量是可以通過設計過程的質量控制、不斷的評審與反饋得以提高的。

艦船的設計質量定義為：在一定條件下,設計人員運用各種知識和工具,將軍方的需求(即戰術技術任務書),轉化為設計方案(即一系列可操作的圖樣和技術文件)的過程中,所消耗的時間與費用,所形成的設計方案以及該方案的工業可制造性等方面的綜合衡量。該設計質量是一個動態的質量,它依據軍方需求的變化而變化,唯一不變的是它以滿足軍方需求為根本宗旨。

2.3 艦船設計質量的影響因素分析

從對艦船設計質量定義的理解,艦船設計質量可以說是一個多方面綜合的反映,歸納起來可以將艦船設計質量影響因素分為輸入型和輸出型兩種。輸入型影響因素包括設計人員、設計理念、設計方法、技術條件和設計環境,輸出型影響因素包括設計方案所體現的技術與性能水平及設計方案的制造可行性。艦船設計質量影響因素如圖2所示。

因為文獻[10]將資源浪費作為首要優化條件，然后在不影響主目標的前提下盡量降低布線長度，所以本文采用同樣的方式，選取w1=Resmax，w2=1，w3=1的參數配置，按照這樣的目標函數進行優化，意味著在找到最少資源浪費的布局中挑選一個布線長度最短的作為最終布局結果.

圖2 艦船設計質量影響因素

3 魚刺圖與設計FM EA結合的方法

3.1 基于魚刺圖及設計FMEA的設計錯誤原因及對策分析技術

用因果分析圖(魚刺圖)分析問題的因果關系,能指出可能引起問題出現的原因,通過識別癥狀、分析原因、尋找措施、促使問題解決[6]。在設計質量管理中,根據質量的影響因素,用于設計分析的魚刺圖可從“人” 、“法”、“技” 、“環”、“管”等五個方面予以分析(圖3)。

圖3 常用魚刺圖的形式

由于這5個因素的每一方面又包含了許多具體的因素,這些因素又是其它因素作用的結果,因此在設計過程中,分析影響質量的原因時,要把對質量發生作用的各種因素條理化,把原因和結果的關系搞清楚,才能采取相應的措施,控制質量水平。在實際分析中,首先應找出影響質量問題的大原因,然后尋找到大原因背后的中原因,再從中原因找到小原因和更小的原因,最終查明主要的直接原因。魚刺圖法是一種分析影響設計質量各種原因的有效方法之一。

故障模式影響分析(Failure Mode and Effects Analysis,簡記為FMEA)是分析系統中每一產品所有可能產生的故障模式及其對系統造成的所有可能影響,并按每一個故障模式的嚴重程度、檢測難易程度以及發生頻度予以分類的一種歸納分析方法。故障模式影響及危害性分析(Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,簡記為FMEA)是故障模式影響分析(FMEA)和危害性分析(Criticality Analysis-CA)的組合分析方法[7～8]。

設計FMEA(Processing Failure Mode&Effect Analysis)是一種對設計過程進行分析的方法,可對設計過程進行量化分析。它與傳統用于產品設可靠性設計的FMEA方法不同,傳統的FMEA主要用于硬件可靠性分析,是從產品自身故障分析出發,已經形成標準。

設計FMEA分析包括設計錯誤模式影響分析(FMEA)和危害性分析(CA)兩個步驟。FMEA又包括設計錯誤模式分析、設計錯誤原因分析、影響分析、檢測方法分析與補償措施分析等步驟。錯誤模式分析是找出設計修中(包括設計要素、設計流程、設計人員等)所有可能出現的錯誤模式。錯誤原因分析是找出每一個錯誤模式產生的原因。錯誤影響分析是找出設計中所有可能出現的錯誤所產生的影響,并按這些影響的嚴重程度進行分類。錯誤檢測方法分析是分析每一種錯誤模式是否存在特定的發現該錯誤模式的檢測方法,從而為系統的錯誤檢測與隔離設計提供依據。補償措施分析是針對錯誤影響嚴重的故障模式,提出設計改進的措施。

CA是對設計錯誤嚴重程度進行評估。

通過FMEA可以確定維修的各個階段可能出現的質量問題點,FMEA結果可作為改善對象加入設計計劃之中,從而有利于設計質量問題的預防。FMEA實施步驟如圖4所示。

圖4 FM EA實施步驟

因果圖能夠全面地反映設計質量的因果關系,它不僅把設計質量中存在的問題與產生的原因表現出來,而且層次分明,可以從中反映各種質量之間的關系,反映某一原因是通過什么途徑影響其結果的。但是魚刺圖不能將各原因之間的因果關系明確的表示出來,同時對魚刺圖分析得出質量問題的原因的破壞程度(致命度)不能做出很好的評估,難以確定各個質量問題原因的重要度順序。設計FMEA通過對設計中各個環節的分析,找出設計過程潛在的故障模式,分析每種錯誤模式對設計的影響,并能夠評價出每種錯誤模式影響的嚴重程度,根據評價結果,制定相應管理措施和修正方式。但是分析錯誤原因沒有魚刺圖那么形象直觀,所以將二者結合起來,對設計質量問題的原因及對策進行分析,可以取得良好的效果。

3.2 基于設計流程卡的質量控制

借鑒裝備維修管理中的卡片制度,在裝備設計質量控制工作中,實行設計作業卡片制度是保證設計質量的一項重要舉措。設計工作具有很強的規范性,不規范很容易導致“錯、忘、漏、損”,直接影響著設計質量。已有的設計質量經驗也必須通過嚴謹、規范的形式傳遞給現任設計師們,這樣經驗的作用才能得到更好的保證。通過各類專業的“設計流程卡”的制作,將各專業的標準、規范以及已有的質量經驗制成卡,要求維修人員熟記,強化條例、法規和安全觀念。實施依卡帶教,依卡考核,依卡驗收上崗。這樣做,不但使得設計人員的設計工作規范,而且熟記了常用標準和規范,有效地鑒戒了已有的質量經驗,為確保艦船的設計質量打下堅實基礎。

設計流程卡主要作用有兩個方面,一個是預防設計中錯誤事件的出現;一個是確保設計流程的規范、完整。預防設計中錯誤出現的流程卡是依據設計FMEA分析的結果制定;確保設計過程規范、完整,則是各專業的標準,規范制定的。本題研究設計質量控制技術,主要是解決如何預防質量事件出現的問題,為此,本題設計了能夠起到第一個作用的設計流程卡,如圖5所示。

圖5 設計流程卡

實踐證明,按卡操作是防止和減少差錯的有力措施,而那種操作者憑記憶、檢驗者憑經驗的傳統模式已經不適應現實新型復雜裝備設計的需要。雖然按卡操作麻煩一些,但對設計人員克服隨意性、減少遺忘性,保證設計作業的嚴肅性、準確性,培養認真負責的優良作風大有好處。

4 結語

根據艦船研制的特點,結合魚刺圖和設計FMEA,本文提出了一種新的設計質量控制方法。該方法能夠對設計過程可能產生的錯誤、原因、影響及對策予以全面而細致的分析,并以流程跟蹤卡的形式將分析結論具體落實到設計工作中。

[1]逯金聲.提高產品的設計質量[J].輕工標準與質量,1994(4)：20～ 21

[2]袁清珂,曹巖,劉寧,等.產品設計質量綜合評價理論與體系的研究[J].中國機械工程,1998,9(10)：8～10

[3]羅均,呂恬生,王綺.產品設計質量灰色系統綜合評價方法的研究[J].機械科學與技術,2000,19(5)：747～749

[4]王銀書.淺論產品設計質量[J].電子標準化與質量,2001(2)：38～ 39

[5]朗代兵.全力保證三維數模的質量[J].CAD/CAM與制造業信息化,2003(11)：86～87

[6]金衛東,劉佳.艦船維修質量過程控制技術研究[J].海軍裝備,2009(6)：31～34

[7]張春勛.改進的QDF與設計FMEA集成框架研究[J].管理學報,2009,6(2)：207～212

[8]王凱,潘爾順.模糊QFD與 FMEA整合模型及應用[J].工業工程與管理,2008(3)：59～63