基于數(shù)字樣機(jī)的軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)平臺(tái)建設(shè)

嚴(yán) 宏，熊長(zhǎng)武，呂 倩，方 偉

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

基于數(shù)字樣機(jī)的軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)平臺(tái)建設(shè)

嚴(yán) 宏，熊長(zhǎng)武，呂 倩，方 偉

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

本文提出了以數(shù)字樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)為核心，以物理樣機(jī)試制與驗(yàn)證為基礎(chǔ)，由多學(xué)科協(xié)同綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)條件、關(guān)鍵專(zhuān)題驗(yàn)證樣件快速試制條件、全域環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)評(píng)估條件組成的軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)平臺(tái)建設(shè)思路。

環(huán)境適應(yīng)性;研發(fā)平臺(tái);數(shù)字樣機(jī);物理樣機(jī);試驗(yàn)評(píng)估

引言

研發(fā)平臺(tái)泛指技術(shù)研究、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程所涉及的所有管理、技術(shù)、資源體系的有機(jī)集成，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品研制提供有效手段。目前各地區(qū)、各行業(yè)、各單位在進(jìn)行研發(fā)平臺(tái)建設(shè)時(shí)還是以技術(shù)管理為核心的研發(fā)管理平臺(tái)（諸如PDM、ERP）為主，而產(chǎn)品研發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，除管理提升外，以企業(yè)技術(shù)、產(chǎn)品研發(fā)所需的軟硬件資源為核心的研發(fā)平臺(tái)論證、建設(shè)已經(jīng)迫在眉睫。［1］

環(huán)境適應(yīng)性是裝備的重要質(zhì)量特性之一，要求裝備在其壽命期可能遇到的各種環(huán)境條件下不被破壞，保證實(shí)現(xiàn)所有預(yù)定功能和性能［2］。隨著我國(guó)軍事現(xiàn)代化和全球化的發(fā)展趨勢(shì)，要求軍事電子裝備具有航空、航天、高山、沙漠、海洋、島礁等全域惡劣環(huán)境適應(yīng)性，可以長(zhǎng)時(shí)間、高可靠性地工作，因此裝備全域環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)已經(jīng)上升到與裝備使用性能設(shè)計(jì)同等重要的地位。研制單位要快速提高裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)能力，就需要建立完整的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)體系，培養(yǎng)環(huán)境適應(yīng)性專(zhuān)題設(shè)計(jì)技術(shù)隊(duì)伍。為此，我們建議成立軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，建設(shè)基于數(shù)字樣機(jī)的軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)平臺(tái)。［3］

1 平臺(tái)建設(shè)總體思路及框架

從現(xiàn)代軍用電子裝備研發(fā)流程看，主要?jiǎng)澐譃檎撟C、方案、研發(fā)、驗(yàn)證和運(yùn)維等五個(gè)階段，各個(gè)階段均涉及到裝備環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題，因此GJB 150A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》［4］明確要求實(shí)施GJB 4239-2001《裝備環(huán)境工程通用要求》,在裝備論證、研制、生產(chǎn)和使用過(guò)程中開(kāi)展裝備環(huán)境工程管理、環(huán)境分析、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)和環(huán)境試驗(yàn)與評(píng)價(jià)等四個(gè)方面工作，并以合理的費(fèi)用確保裝備滿(mǎn)足規(guī)定的環(huán)境適應(yīng)性要求。但從裝備研制單位來(lái)講，主要工作還是集中在裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)和環(huán)境試驗(yàn)與評(píng)價(jià)兩個(gè)方面的。因此，裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)和環(huán)境試驗(yàn)與評(píng)價(jià)能力、條件是軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)平臺(tái)建設(shè)的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程主要以實(shí)物流轉(zhuǎn)、真實(shí)試驗(yàn)驗(yàn)證為特點(diǎn)，借助設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)得到產(chǎn)品的基本參數(shù)并繪制圖紙，加工制造完成后進(jìn)行實(shí)物條件下的真實(shí)試驗(yàn)驗(yàn)證，不滿(mǎn)足要求則重新反復(fù)。這種產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式的主要缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn)分離，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，人為因素造成的質(zhì)量問(wèn)題多，資源準(zhǔn)備困難，返工多，開(kāi)發(fā)成本高。數(shù)字樣機(jī)是產(chǎn)品整機(jī)或系統(tǒng)的數(shù)字化描述［5］，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于數(shù)字樣機(jī)的軍用電子裝備研發(fā)條件已經(jīng)日趨成熟，利用各級(jí)數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)、快速制造、試驗(yàn)驗(yàn)證已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)［6］。因此，新一代軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)平臺(tái)建設(shè)必須以環(huán)境適應(yīng)性數(shù)字樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)為核心，以環(huán)境適應(yīng)性物理樣機(jī)試制與驗(yàn)證為基礎(chǔ)，以知識(shí)管理與創(chuàng)新、共性技術(shù)與通用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)與運(yùn)用、基礎(chǔ)設(shè)施與組織建設(shè)為支撐，覆蓋裝備研發(fā)流程的前、中、后各個(gè)階段，確保環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)設(shè)計(jì)工作科學(xué)、正確、合理，全面滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)便于專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)積累與技術(shù)創(chuàng)新。

基于數(shù)字樣機(jī)的軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)平臺(tái)主要建設(shè)內(nèi)容框架如圖1。

圖1 基于數(shù)字樣機(jī)的軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)平臺(tái)框架

2 環(huán)境適應(yīng)性數(shù)字樣機(jī)多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)條件

環(huán)境適應(yīng)性數(shù)字樣機(jī)是針對(duì)產(chǎn)品研發(fā)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)需求，通過(guò)設(shè)計(jì)、仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)模擬等手段，在傳統(tǒng)的數(shù)字化結(jié)構(gòu)樣機(jī)的基礎(chǔ)上增加虛擬或模擬的環(huán)境條件以及環(huán)境響應(yīng)特性數(shù)據(jù)而生成的更高層級(jí)的數(shù)字樣機(jī)，它在環(huán)境適應(yīng)性專(zhuān)題設(shè)計(jì)方面更加趨近于實(shí)物樣機(jī)，能夠在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確、直觀在預(yù)示、感知裝備的環(huán)境適應(yīng)能力。環(huán)境適應(yīng)性數(shù)字樣機(jī)多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)條件主要包括數(shù)字化結(jié)構(gòu)樣機(jī)設(shè)計(jì)條件、專(zhuān)題仿真預(yù)示與多學(xué)科優(yōu)化條件、人機(jī)交 互與感知條件等：

1)數(shù)字化結(jié)構(gòu)樣機(jī)設(shè)計(jì)條件通過(guò)結(jié)構(gòu)與板級(jí)電路三維實(shí)體建模與裝配工具（實(shí)體建模軟件或逆向工程建模系統(tǒng)），建立包括板級(jí)電路與關(guān)鍵元器件在內(nèi)的產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性數(shù)字化結(jié)構(gòu)樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品構(gòu)型、連接組裝等初步設(shè)計(jì)工作。

2)專(zhuān)題仿真預(yù)示與多學(xué)科優(yōu)化條件在產(chǎn)品數(shù)字化結(jié)構(gòu)樣機(jī)基礎(chǔ)上通過(guò)相應(yīng)環(huán)境適應(yīng)性功能或性能參數(shù)的施加、仿真計(jì)算及響應(yīng)數(shù)據(jù)處理，建立產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性數(shù)字化物理樣機(jī)，完成機(jī)械、熱、電磁、自然環(huán)境等功能特性、性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)、分析、預(yù)示與設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能評(píng)估。

3)人機(jī)交互與感知條件以產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性數(shù)字化物理樣機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)人機(jī)交互與感知環(huán)境、虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，將研制的產(chǎn)品同安裝、使用平臺(tái)、環(huán)境相結(jié)合，集成應(yīng)用系統(tǒng)的物理、機(jī)械、自然環(huán)境特征，建立產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性數(shù)字化系統(tǒng)樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段就對(duì)產(chǎn)品在實(shí)際使用條件下的環(huán)境適應(yīng)性能（溫度分布、機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變、空氣流動(dòng)等）進(jìn)行全方位的體驗(yàn)、評(píng)估。

3 環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵專(zhuān)題物理樣機(jī)快速試制條件

環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵專(zhuān)題物理樣機(jī)快速試制條件在電子裝備的各個(gè)研發(fā)階段對(duì)部分或全部環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵專(zhuān)題進(jìn)行工程實(shí)物樣機(jī)快速試制，減少不確定性因素，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，從而大大提高新裝備開(kāi)發(fā)的一次成功率，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。關(guān)鍵專(zhuān)題物理樣機(jī)快速試制條件是數(shù)字化樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)驗(yàn)證的重要支撐，是對(duì)設(shè)計(jì)功能性能驗(yàn)證的重要手段，能夠?qū)υO(shè)計(jì)的優(yōu)化改進(jìn)提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)及改進(jìn)方向。

關(guān)鍵專(zhuān)題物理樣機(jī)快速試制條件主要包括：

1)數(shù)字樣機(jī)快速成形系統(tǒng)：利用激光快速成型等增材制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各型數(shù)字化樣機(jī)的快速成型，滿(mǎn)足研制物理樣機(jī)的快速試制及展示驗(yàn)證的要求。

2)物理樣機(jī)快速加工工作坊：根據(jù)研制單位產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵專(zhuān)題驗(yàn)證物理樣機(jī)特征需求，配套建設(shè)適用于常用、小型環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證實(shí)物結(jié)構(gòu)件、功能件（如散熱器、風(fēng)道、流道、裝配件等）的加工、制造、組裝，滿(mǎn)足物理樣機(jī)的試制、改進(jìn)、調(diào)整要求。物理樣機(jī)快速加工工作坊不依賴(lài)于研制單位的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)快速驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。

3)印制電路板快速成形系統(tǒng)：包括微波射頻及高速電路快速成型設(shè)備、EMI性能樣件快速成型設(shè)備等，可制作微波射頻基板、異形基板、互聯(lián)基板、共形天線、電磁屏蔽、密封與接地結(jié)構(gòu)等。現(xiàn)代軍用電子裝備中各種射頻電路、高速電路、異形電路組件也同樣承受了嚴(yán)酷的環(huán)境適應(yīng)性考驗(yàn)，因此要實(shí)現(xiàn)良好的環(huán)境適應(yīng)性物理樣機(jī)模擬，需要配置必要的板級(jí)電路組件。

4)裝備防護(hù)樣件快速試制系統(tǒng)：主要包含基材表面活化處理、表面涂覆、三防、充填灌封等樣板樣件的制作設(shè)備設(shè)施，對(duì)裝備所采用材料、結(jié)構(gòu)形式及防護(hù)工藝的防護(hù)性能及腐蝕與控制技術(shù)的有效性進(jìn)行快速驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇以及防護(hù)工藝方面的缺陷。

4 全域環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、評(píng)估條件

通過(guò)全域環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、評(píng)估條件建設(shè)，實(shí)現(xiàn)多種預(yù)示、診斷、評(píng)價(jià)手段的綜合化，實(shí)現(xiàn)機(jī)械環(huán)境、熱力環(huán)境、自然環(huán)境、電磁環(huán)境等多專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域驗(yàn)證測(cè)試方法與過(guò)程的融合化（由單專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域測(cè)試為主向多領(lǐng)域耦合測(cè)試為主方向發(fā)展），實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜服役環(huán)境條件驗(yàn)證測(cè)試的一體化，形成多功能、跨專(zhuān)業(yè)、高性能環(huán)境試驗(yàn)與評(píng)估能力，充分滿(mǎn)足新一代軍用電子裝備在海、陸、空、鄰近空間、外太空等復(fù)雜環(huán)境條件下的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)與綜合驗(yàn)證測(cè)試需求。

全域環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、評(píng)估條件由“環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)預(yù)示與分析系統(tǒng)”、“環(huán)境適應(yīng)性綜合診斷系統(tǒng)”、“環(huán)境適應(yīng)性綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)”和“特種裝備環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)評(píng)估系統(tǒng)”組成，如圖2。

1)環(huán)境適應(yīng)性預(yù)示與分析系統(tǒng)主要為設(shè)計(jì)、仿真分析提供所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的試驗(yàn)儀器和配套測(cè)試、分析軟件構(gòu)成，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性數(shù)字化物理樣機(jī)精確建模與分析的基礎(chǔ)條件。

圖2 全域環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、評(píng)估條件建設(shè)內(nèi)容

2)環(huán)境適應(yīng)性診斷與分析系統(tǒng)主要由多種高精度力學(xué)、熱、電磁兼容測(cè)試硬件（含配套專(zhuān)業(yè)軟件）組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵專(zhuān)題物理樣機(jī)以及真實(shí)產(chǎn)品進(jìn)行精確、全面、高效地診斷測(cè)試，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件、材料選擇以及工藝方面的缺陷，確定其導(dǎo)致問(wèn)題出現(xiàn)的主要因素，以便采取適當(dāng)?shù)拇胧倪M(jìn)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品預(yù)期使用環(huán)境的適應(yīng)性。

3)環(huán)境適應(yīng)性綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要由機(jī)械環(huán)境、熱力環(huán)境、自然環(huán)境、電磁環(huán)境等多種環(huán)境載荷模擬設(shè)備及配套測(cè)試、控制儀器組成（含配套軟件），實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵專(zhuān)題物理樣機(jī)以及真實(shí)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)正確性、問(wèn)題解決措施有效性進(jìn)行深入評(píng)價(jià)并反饋多種測(cè)試參量結(jié)果，該系統(tǒng)需要和環(huán)境適應(yīng)性診斷與分析系統(tǒng)配套使用。

5 結(jié)論

為快速提高環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)能力，國(guó)內(nèi)華為、中興等大型民用電子、通信公司已經(jīng)啟動(dòng)了相關(guān)專(zhuān)題技術(shù)研發(fā)平臺(tái)的建設(shè)工作，成立了相關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室，可保障在研裝備的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)以及新型高效環(huán)境控制技術(shù)的研發(fā)工作。本文針對(duì)數(shù)字化環(huán)境下的軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)需求，結(jié)合所在單位實(shí)際，提出以數(shù)字樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)為核心，以物理樣機(jī)試制與驗(yàn)證為基礎(chǔ)，由多學(xué)科協(xié)同綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)條件、關(guān)鍵專(zhuān)題驗(yàn)證樣件快速試制條件、全域環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)評(píng)估條件組成的軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)平臺(tái)建設(shè)思路，同時(shí)對(duì)具體建設(shè)方案進(jìn)行了研究論證。該研發(fā)平臺(tái)覆蓋了裝備研發(fā)流程的前、中、后各個(gè)階段，可以全面提升軍用電子裝備綜合設(shè)計(jì)水平，實(shí)現(xiàn)裝備技戰(zhàn)術(shù)水平的持續(xù)完善與提高，同時(shí)有利于環(huán)境適應(yīng)性專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)積累與技術(shù)創(chuàng)新，希望能對(duì)相關(guān)行業(yè)提供參考借鑒。

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Construction of Environmental Adaptability Research-Development Platforms for Military Electronic Equipment Based on Digitalized Prototype

YAN Hong, XIONG Chang-wu, LV Qian, FANG Wei
(Southwest China Research Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036)

Focused on the optimum design of digitalized prototype, based on the manufacture and verification of physical prototype, this paper puts forward the construction idea of military electronic equipment environmental adaptability research-development platforms, which refers to multidisciplinary optimization design conditions, rapid manufacture conditions of key project sample part, tests and evaluations about global environmental adaptability.

environmental adaptability; research-development platform; digitalized prototype; physical prototype; test and evaluation

TJ06

A

1004-7204(2017)04-0132-04

嚴(yán)宏（1968-），男，四川江油人，高級(jí)工程師，主要從事軍用電子裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)管理工作。

熊長(zhǎng)武（1975-），男，重慶萬(wàn)州人，碩士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事軍用電子裝備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)與環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)研究工作。