基于數字樣機的直升機通用質量特性評估

張宏斌,翁興國,李藝文

(陸軍航空兵學院,北京 101123)

0 引言

通用質量特性貫穿于裝備全生命周期,在論證中提出,設計中落實,生產中實現,使用中發揮和提高[1]。通用質量特性描述了裝備的一般特性,主要包括可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環境適應性[2]。裝備通用質量特性能否滿足使用需求,直接影響裝備效能的發揮,也是關系到裝備能否形成和保持戰斗力的重要因素[3]。因此,在驗收鑒定階段開展直升機通用質量特性評估工作對于提升直升機整體效能具有重要意義。

目前,直升機通用質量特性評估工作主要采取傳統的實裝試驗法和統計分析法進行,存在著試驗周期長、費用高、部分指標無法驗證等一系列問題。數字樣機的出現和發展為解決以上問題提供了一個新的技術手段。作為探索,本文嘗試對基于數字樣機的直升機通用質量特性評估進行研究。在分析傳統通用質量特性評估工作現狀及問題的基礎上,對基于數字樣機開展直升機通用質量特性評估的概念和優勢進行闡述,并提出開展該項工作需關注的主要問題,以期對該項工作的開展提供參考。

1 直升機通用質量特性評估工作現狀

1.1 現行做法

當前,直升機通用質量特性評估主要依據GJB9001B-2009《質量管理體系要求》和GJB368《裝備維修性工作通用要求》、GJB450《裝備可靠性工作通用要求》、GJB900《裝備安全性工作通用要求》、GJB2547《裝備測試性工作通用要求》、GJB3872《裝備綜合保障通用要求》、GJB4279《裝備環境工程通用要求》等相關國家軍用標準,選取評估指標,制定評估流程,在驗收鑒定階段采取試飛驗證與統計分析相結合的方式完成。

其中,試飛驗證主要評估的指標包括可靠性、維修性、測試性、環境適應性等。為收集足夠的數據,通常需要兩年以上的試飛時間。且為收集不同條件下的數據,需要在不同地點、不同環境、不同任務等多種條件下開展試飛驗證,從而造成整個試驗周期長、費用高,并且一些指標(如安全性等)無法通過試飛驗證收集。

統計分析主要是對試飛驗證無法獲取的指標數據,結合設計階段前驗信息而得出評估結果。

1.2 存在的不足

通過調研和分析,在驗收鑒定階段開展通用質量特性評估,對于保障和提升直升機整體效能的發揮具有重要意義,但是也存在一定不足,除了周期長、成本高等普遍性問題外,主要包括以下幾點:

1)通用質量特性評估指標選取針對性不足。從總體上看,目前通用質量特性指標驗證主要依據國軍標要求,側重于可靠性、維修性、保障性等;對于安全性、環境適應性等指標難以進行實質性考核。同時,各指標分別考核,沒有形成綜合性評價指標,與用戶需求實際目標匹配度也不夠。

2)數據質量問題。采用試飛驗證手段進行考核,很難同時滿足不同條件下的考核要求,如不同的作戰科目、任務剖面、飛行載荷、駐地環境等,從而導致評估結果與真實水平存在差異。另外,通過試飛驗證獲取的數據具有隨機結尾特征,在設計定型階段使用該類數據顯然是不合理的[4]。

3)樣本量的問題,評估結果置信度不高。設計定型階段的直升機數量少,飛行總時間相對較短,總體上屬于小樣本評估問題,且對試飛數據缺乏多方核查與驗證,進一步導致評估結論存在偏差,難以全面地進行通用質量特性評估。

2 基于數字樣機的通用質量特性評估

隨著計算機技術和仿真技術的快速發展,各行業均逐步建立數字樣機。數字樣機是在物理樣機的基礎上以數字化的形式真實表達產品的幾何外觀、物理特性、功能特性、性能特性等。數字樣機具備虛擬性、動態性、多尺度、多學科交叉、面向產品全生命周期等特點。按照使用目的可分為幾何樣機、功能樣機、性能樣機和專用樣機等。

目前,數字樣機已被廣泛的應用于可靠性設計[5]、可靠性評估[6]、維修性評估[7]、耐久性試驗[8]等工作中。

2.1 相關概念

基于數字樣機的直升機通用質量特性評估是指以直升機的數字樣機為對象,在特定仿真評估環境下,按照通用質量特性評估流程,依據一定的通用質量特性評估指標體系,開展各指標驗證,獲取相關數據,進而對直升機通用質量特性進行評估。

其中,直升機的數字樣機是依據直升機實體建立的數字模型,包括直升機結構、功能、性能等各要素;特定的仿真評估環境是結合通用質量特性評估需求,按照實際評估條件建立的仿真評估環境,包括自然環境、戰場環境、人機環境等多種要素;通用質量特性評估流程是依據相關國軍標,并結合數字樣機應用特點確定的評估程序,包括組織者和參與方、工作準備、工作實施、結果分析等;一定的通用質量特性評估指標體系是在分析基于數字樣機開展直升機通用質量特性評估工作特點的基礎上構建的評估指標體系,對傳統評估指標體系進行適當的綜合和裁剪。

2.2 優勢

以數字樣機為基礎開展直升機通用質量特性評估與傳統的通用質量特性評估方法對比,具有以下優勢:

1)復用性

作為一種數字化產品,利用數字樣機在仿真環境中開展各項通用質量特性指標驗證試驗不會對數字產品本身造成實質性物理損傷,同一個數字樣機可在不同仿真環境下重復開展各類指標驗證,可節約大量經費。

2)并行性

由于數字樣機具有復用性,所以只要設置相應的仿真環境即可利用數字樣機開展特定條件下的通用質量特性指標試驗。因此,可通過設置不同仿真環境并行開展對應指標驗證,大大縮短試驗周期。

3)實時性

利用數字樣機開展通用質量特性指標試驗驗證時,可及時對不同條件下的評估給出反饋,利用配套的數字化工具自動控制并生成指標驗證信息數據庫。

4)動態性

試驗過程中數字樣機可模擬裝備性能(技術狀態)隨時間、條件變化而發生的變化,動態地開展直升機全壽命周期內不同條件下的通用質量特性指標驗證。

5)全面性

由于數字樣機不會發生實質性物理損傷,因此可開展安全性、環境適應性等一些實際驗證過程中無法開展的試驗,獲取全面的通用質量特性指標。

6)多樣性

利用仿真環境開展試驗時可根據實際需求進行不同條件的組合,包含任務、環境、裝備狀態、人員配置等諸多條件,從而獲取大量試驗數據。

7)遷移性

基于數字樣機開展直升機通用質量特性評估的過程中會形成相應的數據積累和知識積累。這些數字化的資源可以在設計方、生產方、需求方等各利益攸關方之間實現實時傳遞、準確共享。

3 關鍵問題

直升機通用質量特性評估是一種綜合性工作,需要考慮通用質量特性的各種影響因素,因此需結合通用質量特性評估工作需求和數字樣機特點,關注以下關鍵問題。

1)數字樣機權威性

數字樣機是整個工作的基礎。數字樣機能否真實、全面、準確地反映直升機實體狀態是關鍵問題。通用質量特性評估是對直升機全生命周期過程中,不同條件下各項指標的驗證和評估,因此數字樣機一方面要與直升機實體具備相同的功能、性能等指標參數,另外一方面要能夠模擬因使用時間、環境等變化引起的功能、性能指標退化過程。

2)仿真環境真實性、全面性

通用質量特性評估需對裝備全生命周期內不同使用環境下的各個指標進行試驗,因此仿真環境是關鍵因素。在通用質量特性評估過程中,試驗環境應包括:戰場環境、自然環境、人-機環境等多種條件。不同的環境下各項指標評估的結果不同,因此仿真環境是否全面、真實將會直接影響評估結果的可信性。

3)評估流程合理性

通過數字樣機開展直升機通用質量特性評估時,其流程與傳統通用質量特性評估存在明顯區別。傳統通用質量特性評估是采用一種順序模式,對各類環境、各種指標逐一驗證。而在數字樣機條件下,可采用并行方法開展,即多個樣機在不同環境條件下開展不同指標驗證,因此需要合理設置評估流程,如按試驗條件劃分剖面,按照驗證指標劃分剖面,按照任務劃分剖面等,統籌安排仿真試驗過程,達到最優化效果。

4)評估指標體系構建

評估指標體系是開展直升機通用質量特性評估工作的基礎和關鍵。基于數字樣機的直升機通用質量特性評估與傳統的通用質量特性評估既相互聯系又有其獨特優勢。一方面要參考傳統指標的設定,遵循系統性、簡明性、可信性等基本原則;另一方面又要結合通用質量特性評估實際需求,并考慮到數字樣機應用的優勢,建立綜合性強、實用性高的指標體系。

5)海量數據處理

與傳統方法相比,采用數字樣機進行通用質量特性評估時會產生大量數據。對這些海量數據,需要進行有效區分,采用置信區間、噪聲濾波等方法去除可信度不高的數據,從而使評估結果準確。

6)評估算法優化

通用質量特性評估算法眾多。多位學者針對通用質量特性評估中的不同問題提出了相應的解決算法,但其評價基礎仍然是傳統的外場試驗法或統計法。基于數字樣機的直升機通用質量特性評估是對評估基礎和評估手段的一種革新,因此需要研究與其特點相適應的評估算法,尤其是仿真數據與外場數據相結合條件下的算法。

4 結語

基于數字樣機開展直升機通用質量特性評估是一項全新的、探索性工作。通過利用數字樣機開展直升機通用質量特性評估具有復用性、并行性、實時性等優勢,可解決傳統通用質量特性評估所面臨的周期長、成本高等一系列問題。在實施該項工作過程中需注意數字樣機權威性、仿真環境真實性、評估流程合理性、評估指標體系優化等關鍵問題的解決。本文對該項工作的開展具有一定參考價值。但是,由于直升機通用質量特性評估是一項復雜的工作,且直升機數字樣機,特別是仿真環境的建設,仍處于起步階段,因此本文僅對關鍵問題進行了初步分析,接下來需針對不同情況、不同特點開展進一步研究。