趙保平,王剛,孫蘭
基于產品功能的裝備環境工程管理思考
趙保平,王剛,孫蘭
(北京機電工程研究所,北京 100074)
首先詳細分析了目前裝備環境工程實施的現狀,指出環境工程管理在其中的核心地位,提出了環境工程管理的三大任務,即保障設計的正確性、保障裝備實現過程中各項技術活動與設計的一致性、以及保障后續裝備的持續改進完善和升級。在環境適應性設計方面,結合具體工程案例,強調了關注產品頂層環境設計分析、總體與各部分的環境匹配性、全壽命周期環境集合的完備性、環境響應特性調查試驗,以及數字仿真的重要性。可為裝備環境工程的持續改進和提高提供新思路。
環境工程管理;環境適應性;環境仿真;環境試驗
從專業發展的角度分析[1]環境工程相關的四大標準:MIL-STD-810環境工程考慮和實驗室試驗、DEF-STAN 00-35國防裝備環境手冊、NATO STANG 4370環境試驗、以及GJB 4239裝備環境工程通用要求。可以看到,環境工程從“規定的環境試驗方法”到逐步增加環境試驗基本原理、根據需要進行剪裁、根據實測數據確定設計和試驗用的環境量值、用分析代替真實的硬件試驗等。環境工程的發展從單純的環境試驗走向了涵蓋面廣、多學科多專業交叉融合的系統工程。
國內環境工程,自GJB 4239[2]發布以來,在裝備研制過程中也取得了可喜的成績,除開展環境試驗外,還普遍建立了相應的工程師隊伍、制定了相應的環境管理計劃、使用保管環境條件和環境適應性保證大綱,規定了環境試驗項目,但研制和使用過程中不斷暴露出的質量問題反映了裝備環境適應性方面仍存在相應的差距。
新的裝備為實現戰技指標,大量使用了新材料,如復合材料、隱身材料、熱防護材料等,這些新材料的使用對裝備的環境適應性提出了新的挑戰。文獻[3]表明,實際裝備的服役條件都很惡劣,尤其是艦船裝備,以及沿海部署的裝備,對材料的腐蝕研究工作要從裝備設計時開始。文獻[4]以數據說明了環境對于材料的腐蝕和老化作用十分明顯,可見材料環境適應性是裝備環境適應性的重要基礎。目前材料的環境適應性研究還很零散、不系統,且試驗數據保留在各軍工單位內部,共享程度有限。更進一步地,不同材料結合形成的典型構件的環境適應性研究更加薄弱。
從集成的功能產品的角度,一方面由于技術的發展,裝備研制的相關技術要求和性能指標要求越來越高,產品功能密度大幅度提高,涌現了大量新現象。如熱環境問題、力學環境惡化等,需要一個不斷深入認識的技術逼近過程。另一方面,已經相對成熟的裝備技術不斷拓展新的使用方法、范圍和平臺,整個系統和研制過程關系復雜,存在疏忽錯漏等現象造成質量問題。
不管是新情況的出現還是老問題的重復,都暴露出裝備環境工程的實施過程中還存在一定的問題。GJB 4239中雖然規定了裝備環境工程包括的四部分:環境工程管理、環境分析、環境適應性設計、環境試驗與評價,但由于基礎較弱,開展的環境工程工作系統性不強,更多地局限于環境試驗的應用,其他環境工程工作如全壽命周期環境的分析、環境適應性指標的確定、環境對裝備的影響機理、環境適應性設計與工藝措施等技術工作開展得還不夠充分。環境工程管理機制不健全,環境工程基礎數據缺乏等,嚴重制約了裝備環境適應性能力的提高。從環境適應性要求提出到實現還沒有建立一套可操作的科學方法,是當前裝備研制、生產及管理部門面臨的重要問題[5]。
環境工程的范圍廣、技術基礎弱,短時間內解決這些問題難度很大,因此,不少文獻研究了解決問題的方法。文獻[6]提出裝備在環境的綜合作用下,發生腐蝕、老化、脆斷、開裂、膨脹變形、生霉長霧、蟲蛀變質等變化是自發的、不可逆的,重要的是將這種變化控制在可接受的速率和范圍內。產品耐環境能力與設計、選材、防護措施及生產質量控制等密切相關,強調了裝備的全壽命周期管理。文獻[7]指出目前存在的問題是對試驗過程中產生的大量數據沒有有效反饋到環境設計中形成閉環,裝備承制方難以提出有效的改進措施和方案,不利于裝備環境適應性水平的逐步提高,建議建立具有我國特色的飛機平臺環境數據庫和環境故障模式數據庫。文獻[8]建議“抓兩頭,帶中間”,即強調“建立環境適應性指標體系”和“健全環境試驗與評價方法”。這些文獻研究指明了目前環境工程面臨的問題,建議的解決措施也合理有效。
部分軍工單位在裝備研制中進行了環境工程實施探討,文獻[9]研究了艦用裝備環境工程的實施,并制訂了相關的環境適應性設計準則,包括高溫環境、低溫環境、濕熱環境、鹽霧環境、霉菌環境、振動和沖擊環境、其他環境防護等。這些工作都有力地推動了裝備環境工程的實施。文獻[10]對裝備環境工程提出了更高的要求,提出了“環境影響評估”定量化的概念,要求在研制裝備硬件的同時,研制一套定量評估環境影響裝備實戰性能的軟件系統。環境適應性必須在環境影響定量化基礎上給出實戰性能隨環境參數的變化,能夠進行環境影響輔助決策。這些探索為裝備環境工程指明了發展方向。
綜上所述,自GJB 4239發布以來,各軍工單位按照GJB 4239的要求開展了相關的裝備環境工程工作,取得了一定的成績,但還存在諸多不足。各文獻對于目前環境工程實施過程中的問題認識清楚,并努力付諸實踐,但如何有效地貫徹實施裝備環境工程仍值得深思。
GJB 4239對環境工程管理的定義為完成環境工程工作的一系列活動,包括規劃、組織等內容,其中環境工程是為實現裝備環境適應性而運用各種科學與工程技術的一門工程學科[2]。由于裝備的復雜性,環境工程工作具有很強的技術性,環境工程管理中的每一項活動的規定都應基于裝備的功能特點和實現技術途徑,確保裝備環境工程工作按照既定方式和時間周期實現預期的環境適應性目標[11]。
環境適應性是產品重要的質量特性之一,也是相關各部門的基本共識。對于將環境工程作為一項系統工程納入裝備全壽命周期,以提高裝備環境適應性,以及如何將環境工程納入裝備全壽命周期管理等問題上,認識還不深入、不充分、不全面,導致裝備的環境工作系統性不夠,提高產品環境適應性手段不足。
提高裝備的環境適應性,不是單靠哪一方(某個單位、某個部門、某個專業)的努力就能完成的,必須加強環境工程相關各方的通力合作并進行有效的組織管理,將環境工程的各項具體措施落到實處。目前環境工程在裝備研制生產中還處于初級階段,加強環境工程相關標準的宣貫和培訓及配套標準的建立,提高裝備研制生產各方對環境工程工作的認識,明確環境工程工作在裝備研制生產中的作用和地位,才能真正地發揮環境工程對裝備環境適應性的保證作用。
環境工程管理中規定了四個工作項目:制定環境工程工作計劃、裝備環境工程工作評審、環境信息管理、對轉承制方和供應方的監督和控制。存在以下幾個問題:工作計劃應列入那些內容,評審哪些內容,收集哪些信息并如何使用,對外方監督控制什么。
在研制初期,根據產品功能特點的仿真分析不足,缺乏有針對性的環境工程管理,環境工作要求往往機械照搬并依賴已有的試驗項目、經驗和標準,使得全壽命周期環境仿真分析、適應性設計和試驗評價等工作存在項目設置、包絡覆蓋性和充分性不盡合理,存在過設計過試驗和欠設計欠試驗等情況。
實際上,所有管理工作都是圍繞研制開展的,而從裝備需求開始到驗證交付使用的整個鏈條中,設計是將需求轉化為指標要求并實現產品化的關鍵,而且環境工程中的仿真分析、試驗驗證等活動都是為設計正確性服務的。仿真分析、試驗驗證等又與各個相關專業、相關資源互相錯綜勾連,關系復雜,因此設計處于所有關系的中心位置。由此可知,環境工程管理中應特別關注以下幾個管理活動作為重點,才會有效保證裝備環境適應性的順利實現,避免出現大的反復:保證設計的正確性,不管裝備是新情況還是老套路,應該從設計出發,把設計思想轉化成分階段分步驟實施的具體項目,并采用相應的活動加以管理;保證產品實現過程中的各項活動與設計的一致性,并在實現過程中涉及到的人、機、料、法、環各個方面能夠綜合做到多快好省;保證產品后續使用和改進完善能夠擁有充分的數據等資源可以使用,同時,要對裝備在使用中暴露和反饋回來的熱點問題納入到研制、維護、保障等管理活動中,如當前比較突出的熱、力、海洋腐蝕及其綜合效應問題。
裝備環境工程管理的首要任務是保障設計的正確性。裝備往往是復雜系統,功能多、要求高,為了實現其功能要求所采用的材料、器件、結構、設備、軟件復雜多樣,實現工藝和集成等過程特性各異,往往會涌現新的功能。一方面成就裝備的功能,同時也造成一些有害的影響。設計就是保證保留需要的功能過程、消除或者降低有害功能過程的活動。由于裝備不同,其功能各異,設計活動也不完全相同,相應的結構、系統要求差異更大。也正是如此,盡管GJB 4239給出了三個環境適應性設計工作項目,但相對環境分析與環境試驗部分的內容豐富性就顯得明顯不足,可操作性不強。具體到型號環境適應性大綱等文件中,環境適應性設計部分也比較簡單,這也正是我國裝備環境適應性工作相對重視試驗、依賴試驗,屬于“產品功能設計——環境試驗驗證”的秋后算賬模式[12]。因此,設計部分應該成為環境工程管理關注的重點之一,在活動安排、工作項目、計劃階段性活動、評審、評估以及人員安排培訓等管理活動安排中,應該關注總體上是否考慮了動力學、傳熱等特性的合理性,是否關注了總體與部分之間、部分與部分之間的關系,是否進行了有害以及風險性分析等內容,保證設計不偏離既定目標、不發生顛覆性問題。
一般來講,產品環境適應性設計主要是要處理好產品目標功能與環境激勵源、傳遞路徑和響應之間的關系。功能單元特有的功能可能成為干擾其他單元的環境激勵源,傳遞路徑中存在的問題可能誘發和變異出新的環境,造成不恰當的環境響應。與功能連接相關的材料、結構、功能單元等必然存在相應的功能指標,只要各部分設計指標滿足自身的要求則必然滿足整體要求,而相應的試驗也應按照應力傳遞的三個環節進行驗證。目前由于產品的復雜性,都是按照功能設計生產,再實物試驗驗證的工作模式,對保障目標功能的材料、結構和單元的環境適應性分解指標感到困難,故因沒有過程指標控制而出現周期反復問題,因此管理過程應加強圍繞產品功能而開展的過程指標分解工作。在所有指標中,動力學、熱力學設計難度極大,應規定各部分頻率范圍控制、整體動力學特性、結構傳遞特性、熱力學特性等指標要求[13]。在上述工作的基礎上開展基于產品功能的環境適應性設計技術,包括氣候環境適應性設計技術、力學環境適應性設計技術、核環境、生化環境和其他環境適應性設計技術等。
目前由于產品功能密度和指標的提高,研制過程中出現了一些反復,過去認為不是問題的問題顯現了出來,如動力學響應的不均勻問題、熱分布合理性問題、電磁兼容性問題等,這就是裝備系統復雜性提高后的涌現。總結歸納發現,主要是在設計的源頭上按照歷史的慣性,沒有關注產品特性的變化帶來的影響,而放棄了一些分析與設計步驟和工作項目,影響了設計的正確性。因此,應將產品總體方案中的動力學響應分布、傳熱散熱及其分布的合理性等環境適應性因素優先予以考慮,其工作的結果直接關系到設計中器件、設備功率大小及分布和結構形式及材料等選擇的合理性,否則將會為環境適應性的實現帶來先天不足甚至失敗。例如,某型號大功率發熱產品借用另一個成熟型號產品,總體方案設計時沒有注意到該產品安裝位置的不同所引起的熱環境效應的巨大差異,導致該型號大功率發熱產品在整個工作過程中不斷向鄰近的其他設備輻射熱量,致使設備周圍空氣溫度快速上升,鄰近設備超過極限溫度而失效。這是典型的頂層設計分析對系統整體熱環境考慮不足引起的失效問題。等到系統全部集成后,才發現問題,事后補救非常被動,由于受多方設計限制,很多措施無法實施,造成了很嚴重的進度和經濟上的損失。反之,如果在總體方案設計時,考慮到大功率發熱產品位置改變引起的系統熱環境變化,從氣動布局上引入外部冷空氣冷卻設備周圍空氣,則可以以最低的成本實現最大的效益。
裝備作為一個復雜系統,其外部環境和內部某些功能會沿著特定的路徑傳遞,由于其復雜性,傳遞過程中會形成變異、轉化、衰減、放大等現象,有些路徑是潛藏的,有的是設計要求的,設計就是保證需要的路徑不發生變異等現象,不需要的路徑和現象被限制在最低影響范圍,以保證產品各部分之間相互不受到影響。因此,總體上應對各部分的關系進行分析,對可能的傳遞路徑和路徑上可能的變化進行分析,確定各部分的合理指標以保證功能匹配性和環境兼容性[12]。同時,各個部分的設計同樣應該按照總體的工作流程和方式進行分析設計工作,給出與其特性相匹配的要求和更下一層的要求,而非按照總體給出的數據照抄。例如,某型號裝備運輸試驗中出現結構開裂的現象,運輸過程中的動力學環境實際上是一個層層傳遞的關系,路況和車速對于汽車底板的振動均有影響,汽車底板的振動通過包裝箱傳遞到某型號裝備上,裝備上懸掛有大質量物體。整個力學傳遞路徑中,在某方向上出現了低頻層層放大的情況,導致裝備上大質量物體往復擺動,造成根部反復彎曲疲勞斷裂。如果在包裝箱設計的過程中,針對該裝備某方向剛度較弱,進行了該方向低頻晃動的抑制,完全可以避免結構開裂現象的產生。可見,在裝備的研制過程中,明確設計產品所處的環境特征。例如,力學環境傳遞的環節,傳遞路徑上方和下方的特點,然后再依據這些特點,進行產品功能設計是十分重要的。
目前,對產品總體環境特性與各部分環境特性指標的關系,重視程度很低,產品研制中設計人員,特別是非環境適應性設計人員對如何落實分解指標和適應性設計還比較困惑,應該在管理活動中作為重點。
除前面從總體和各部分特性分析外,作為外部激勵的全壽命周期環境集合的完備性應該得到關注。應對裝備服役整個過程的使用方法、地點、平臺、要求、保障等情況與用戶進行充分溝通,獲取第一手數據。同時,對在使用中可能誘發的環境進行統計并對其完備性進行分析[14-15]。
GJB 4239中規定的環境響應特性調查試驗,名為試驗,實為設計輔助手段,在產品設計原型初樣試驗階段就應該大量開展,以掌握產品的各類特性,是產品環境適應性實現的基礎。例如,某型號裝備上的設備,按照該型號的使用保管環境條件完成了振動交付試驗和例行試驗,結構完好、性能正常。交付總裝后,安裝到某型號裝備的支架上時,在振動環境下,出現了數倍量級的振動放大,導致設備失效。設備承制方沒有進行環境響應特性調查試驗,對設備的諧振頻率不清楚。結構設計人員進行設備安裝支架設計時,僅考慮了靜強度校核,并未分析支架的動力學響應特性。如果設備承制方和支架結構設計人員在初樣階段進行了充分的環境響應特性調查試驗,完全可以避免設備失效的發生,從而可以避免設備交付后的重新設計、生產帶來的經濟上和進度上的巨大損失。
可見,在研制之初,必須充分地強調環境響應特性調查試驗的重要性,這些都必須通過環境工程管理落實到裝備研發的過程中。
仿真分析與試驗驗證是產品研制的兩條腿,缺一不可。一般的流程應該是在早期階段優先選用數字仿真分析,逐步采取實物進行試驗驗證。由于裝備系統的復雜性,數字仿真往往需要大量的簡化,仿真結果與型號要求期望的差異比較大,造成型號設計研制人員對試驗更為重視。在管理中,應對這一現象加以糾正。仿真作為一種設計輔助手段,其意義在于掌握特性、把握方向、尋找規律、分解指標、發現潛在問題,是設計正確性的基礎,也是試驗驗證的基礎。試驗是對設計指標的驗證,而非對產品使用中的真實情況的復現。因此,設計前期的仿真分析是一個去偽存真、關注關鍵并轉化為關鍵指標的過程,只有各部分指標得到正確分解,后續試驗驗證才會得到有針對性的結果。因此,管理活動中需要審查是否進行了仿真分析并將指標分解到了各部分和各專業,相應的試驗項目是否與設計分解指標對應。
此外,部分試驗由于各種限制,難以開展實物試驗,研究仿真試驗技術以替代用實際硬件直接進行的試驗是未來的發展方向之一。仿真試驗的實施必須在掌握正確的平臺環境數據和受試產品特有的環境影響機理和故障模式的基礎上才能實現。例如,研究裝備的貯存壽命和延壽問題時,難以進行長時間的實物自然環境試驗,需借助數字仿真,尋找自然環境試驗和實驗室試驗的相關性,得出相關模型或試驗倍率,這些需要進行大量的預研和試驗工作,在環境工程管理中也需要及早策劃、及早安排。
裝備環境工程管理的第二項主要任務是保障裝備實現過程中各項技術活動與設計的一致性。在產品實現過程中,涉及了人、機、料、法、環等各個環節,在保證設計正確性前提下,相應技術活動步驟中要求每個環節與相應的設計保持一致,才能保證產品符合預期的功能目標,其解決的是狀態符合性和質量一致性。因此,人、機、料、法、環各個環節的控制要經過十分嚴密的策劃。
1)設計人員的構成和職責。實現產品的環境適應性不僅僅是環境專業人員,主要是產品功能設計人員應具備相應的環境意識。每個專業不能僅僅考慮各自專業功能而已,必須考慮與其他專業的關系。在各種設計專業活動中,各個專業必須密切合作相互補充才能實現環境適應性目標。因此,管理過程中的設計人員組成和設計工作項目應包含各類專業人員。
2)合理運用已有的設計和試驗工具。由于產品實現過程復雜,涉及面大,某些環節的不當可能造成周期與成本的大幅度增加。因此,應對實現過程中影響環境適應性各種因素加以分析,采用正交設計等工具予以優化,做到產品實現的多快好省。GJB 4239中規定的7種試驗類型中,環境鑒定試驗、批生產裝備(產品)環境(驗收和例行)試驗應用比較廣泛,其余試驗,尤其是環境響應特性調查試驗、自然環境試驗和使用環境試驗,進行得比較少,需要在環境工程管理活動中加以強調。
3)要重視制造和加工過程中的工藝。設計師應及早與工藝師充分溝通材料選用、工藝方案等有關產品制造的關鍵環節,提高工藝和產品質量,確保設計方案的可實現性,以及不能發生有害于裝備環境適應性的工藝因素。
此外,要對相關人員進行培訓,特別是一些專業標準的培訓,實際工作中,盡管都遵循同樣的標準,但由于專業范圍、崗位、經驗等方面的局限性,往往理解差距很大,需要通過課程培訓,特別是進行實操培訓。
設計過程是一個逐步逼近目標值的漸進過程,按照研制雙W模式,專業、分析、仿真、試驗、工藝、外協、不同層次等過程與階段性工作都存在一個循環與閉環過程,管理需要對過程中的不斷完善特別關注。
裝備環境工程管理的第三項任務是保障后續裝備的持續改進完善和升級,保障企業經濟與社會效益的最大化。環境是裝備研制的基礎,研制中積累下來的相關數據、條件、模型、標準、方法與相應的功能、指標和所有專業以及通用質量特性相關性很強,對后續裝備研制中相似產品相似功能的實現具有非常重要的借鑒意義,做好積累工作,形成社會資源成果,實現型號共享,社會共享,讓后人和后來的產品站在前人的肩膀上。
首先,產品交付用戶并不等于環境適應性就完全滿足使用要求,也不是設計任務的終結。一方面,需要制定裝備服役過程中維護裝備環境適應性的操作與防護規范。另一方面,在使用中,由于使用范圍、環境、方法、人員、平臺等方面的變化以及產品材料器件等指標分散性,使用中經歷的環境往往會存在與設計不一致的情況,存在出現故障并進行維修的情況,在管理中應關注對這些情況的考慮。應對使用中的維修保障影響有預先措施,對使用不一致性環境數據進行檢測和收集,建立FRANCS系統,為維護保障和后續改進型號服務。
其次,由于裝備技術指標和功能要求的提高,需要采用大量新型材料以適應功能密度大、結構特性要求高等特點,如采用輕質結構材料、復合材料、隱身材料、火化工材料、先進功能材料、器件等,特別是非金屬材料的采用,其相應的環境效應數據需要從方案開始或之前必須同步開展測試獲取,相應構件則需要同步開展腐蝕、老化、退化以及環境影響特性曲線、加速退化模型、傳遞特性等試驗和研究,尤其是相應的壽命數據除需要加速試驗外,還要進行長期的自然環境試驗工作,以支撐產品的設計工作。因此,在管理上要考慮已有自然環境試驗數據的充分利用和新材料新工藝環境效應數據獲取途徑。由于其積累需要的時間長、代價大,是短時間內難以立竿見影的工程,需在頂層環境工程管理中統一規劃、統一部署。在自然和平臺環境數據的實測基礎上,規范試驗數據分析和處理方法,積累材料和裝備受環境影響的規律和故障數據,建立相應的數據庫,并在裝備研制過程中共享,為裝備環境適應性提供基礎數據。避免當前產品設計注重產品功能實現,而材料、器件、工藝等的環境適應性問題考慮較少,導致部分產品交付后出現腐蝕、斷裂等問題;避免產品貯存壽命估計不準;避免環境數據有實測但分析不足且沒有有效反饋到設計中形成閉環等問題,造成設計改進措施難以到位,環境適應性持續改進不足的局面。
第三,制定和完善環境工程相關標準是保障后續裝備持續改進完善的一種重要途徑。通過頂層標準、試驗標準和基礎標準等的制訂和配套,以規范和指導環境工程工作的有序開展,并通過標準的宣貫、普及和修訂將裝備研制過程中的經驗教訓固化積累下來,實現后續裝備的持續改進完善和升級。目前我國已制訂了環境工程頂層標準GJB 4239,總裝備部技術基礎管理中心已經完成了以環境工程為基礎的《裝備環境工程標準體系》的制訂工作[16],大部分標準都欠缺,需要比較長時間的技術積累,需要逐步建設并完善相應的數據庫、知識庫、模型庫、規則庫、標準庫等信息化數據系統,形成相應的仿真分析系統,為后續裝備和相似基本功能單元的設計提供借鑒,提高環境適應性知識的社會效益。
隨著科學技術的發展和裝備要求的不斷提高,還會出現更多的環境適應性問題,特別是動力學特性設計、熱力學特性設計問題比較突出。不管如何發展,掌握裝備環境特性,掌握使用環境是實現環境適應性最基本的功課,相應的管理活動基本都是圍繞特性與環境展開的,管理活動應該重點審視是否包含了這些內容。
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Consideration of Materiel Environmental Engineering Management Based on Functional Equipment
ZHAO Bao-ping, WANG Gang, SUN Lan
(Beijing Mechanical-electronic Engineering Institute, Beijing 100074, China)
In this paper, current implementation of materiel environmental engineering was analyzed. Essential roles of environmental engineering management were stressed. Three important tasks of environmental engineering management were presented to ensure correctness of design, coincidence of design and other technical activities in manufacture, test and employment, to ensure continuous improvement and upgrade of materiel. In design of environmental worthiness, some specific engineering cases were provided. The importance of design and analysis of overall environment of materiel, environmental matching of the whole and parts of materiel, completeness of life cycle environmental profile, environmental response characteristic test and digital simulation test was emphasized. It could provide new ideas for the continual improvement of materiel environmental engineering.
environmental engineering management; environmental worthiness; environmental simulation; environmental test
10.7643/ issn.1672-9242.2017.11.001
TJ01;E92
A
1672-9242(2017)11-0001-06
2017-09-01;
2017-10-08
趙保平(1962—),男,河北石家莊人,碩士,研究員,主要研究方向我產品環境工程、環境試驗和可靠性試驗技術。