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

嚴 宏，熊長武，呂 倩，方 偉

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

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

嚴 宏，熊長武，呂 倩，方 偉

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

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

環(huán)境適應(yīng)性;研發(fā)平臺;數(shù)字樣機;物理樣機;試驗評估

引言

研發(fā)平臺泛指技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)過程所涉及的所有管理、技術(shù)、資源體系的有機集成，為實現(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)、各單位在進行研發(fā)平臺建設(shè)時還是以技術(shù)管理為核心的研發(fā)管理平臺（諸如PDM、ERP）為主，而產(chǎn)品研發(fā)是一項復(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，保證實現(xiàn)所有預(yù)定功能和性能［2］。隨著我國軍事現(xiàn)代化和全球化的發(fā)展趨勢，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，可以長時間、高可靠性地工作，因此裝備全域環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計已經(jīng)上升到與裝備使用性能設(shè)計同等重要的地位。研制單位要快速提高裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計能力，就需要建立完整的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計技術(shù)體系，培養(yǎng)環(huán)境適應(yīng)性專題設(shè)計技術(shù)隊伍。為此，我們建議成立軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計技術(shù)研發(fā)實驗室，建設(shè)基于數(shù)字樣機的軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)平臺。［3］

1 平臺建設(shè)總體思路及框架

從現(xiàn)代軍用電子裝備研發(fā)流程看，主要劃分為論證、方案、研發(fā)、驗證和運維等五個階段，各個階段均涉及到裝備環(huán)境適應(yīng)性問題，因此GJB 150A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》［4］明確要求實施GJB 4239-2001《裝備環(huán)境工程通用要求》,在裝備論證、研制、生產(chǎn)和使用過程中開展裝備環(huán)境工程管理、環(huán)境分析、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計和環(huán)境試驗與評價等四個方面工作，并以合理的費用確保裝備滿足規(guī)定的環(huán)境適應(yīng)性要求。但從裝備研制單位來講，主要工作還是集中在裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計和環(huán)境試驗與評價兩個方面的。因此，裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計和環(huán)境試驗與評價能力、條件是軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)平臺建設(shè)的重點。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)過程主要以實物流轉(zhuǎn)、真實試驗驗證為特點，借助設(shè)計師的經(jīng)驗得到產(chǎn)品的基本參數(shù)并繪制圖紙，加工制造完成后進行實物條件下的真實試驗驗證，不滿足要求則重新反復(fù)。這種產(chǎn)品開發(fā)模式的主要缺點是設(shè)計、制造與試驗分離，新產(chǎn)品開發(fā)周期長，人為因素造成的質(zhì)量問題多，資源準備困難，返工多，開發(fā)成本高。數(shù)字樣機是產(chǎn)品整機或系統(tǒng)的數(shù)字化描述［5］，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，基于數(shù)字樣機的軍用電子裝備研發(fā)條件已經(jīng)日趨成熟，利用各級數(shù)字樣機進行產(chǎn)品研發(fā)、快速制造、試驗驗證已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實［6］。因此，新一代軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)平臺建設(shè)必須以環(huán)境適應(yīng)性數(shù)字樣機優(yōu)化設(shè)計為核心，以環(huán)境適應(yīng)性物理樣機試制與驗證為基礎(chǔ)，以知識管理與創(chuàng)新、共性技術(shù)與通用產(chǎn)品開發(fā)、標準體系建設(shè)與運用、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、后各個階段，確保環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)設(shè)計工作科學(xué)、正確、合理，全面滿足設(shè)計要求，同時便于專業(yè)領(lǐng)域的知識積累與技術(shù)創(chuàng)新。

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

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

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

環(huán)境適應(yīng)性數(shù)字樣機是針對產(chǎn)品研發(fā)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計需求，通過設(shè)計、仿真、虛擬現(xiàn)實模擬等手段，在傳統(tǒng)的數(shù)字化結(jié)構(gòu)樣機的基礎(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)而生成的更高層級的數(shù)字樣機，它在環(huán)境適應(yīng)性專題設(shè)計方面更加趨近于實物樣機，能夠在設(shè)計階段準確、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)字樣機多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計條件主要包括數(shù)字化結(jié)構(gòu)樣機設(shè)計條件、專題仿真預(yù)示與多學(xué)科優(yōu)化條件、人機交 互與感知條件等：

1)數(shù)字化結(jié)構(gòu)樣機設(shè)計條件通過結(jié)構(gòu)與板級電路三維實體建模與裝配工具（實體建模軟件或逆向工程建模系統(tǒng)），建立包括板級電路與關(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，實現(xiàn)產(chǎn)品構(gòu)型、連接組裝等初步設(shè)計工作。

2)專題仿真預(yù)示與多學(xué)科優(yōu)化條件在產(chǎn)品數(shù)字化結(jié)構(gòu)樣機基礎(chǔ)上通過相應(yīng)環(huán)境適應(yīng)性功能或性能參數(shù)的施加、仿真計算及響應(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，完成機械、熱、電磁、自然環(huán)境等功能特性、性能指標的設(shè)計、分析、預(yù)示與設(shè)計優(yōu)化、性能評估。

3)人機交互與感知條件以產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性數(shù)字化物理樣機為基礎(chǔ)，通過人機交互與感知環(huán)境、虛擬現(xiàn)實環(huán)境，將研制的產(chǎn)品同安裝、使用平臺、環(huán)境相結(jié)合，集成應(yīng)用系統(tǒng)的物理、機械、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，實現(xiàn)在設(shè)計階段就對產(chǎn)品在實際使用條件下的環(huán)境適應(yīng)性能（溫度分布、機械振動應(yīng)力應(yīng)變、空氣流動等）進行全方位的體驗、評估。

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

環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵專題物理樣機快速試制條件在電子裝備的各個研發(fā)階段對部分或全部環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵專題進行工程實物樣機快速試制，減少不確定性因素，規(guī)避風(fēng)險，從而大大提高新裝備開發(fā)的一次成功率，提高產(chǎn)品的市場競爭力，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。關(guān)鍵專題物理樣機快速試制條件是數(shù)字化樣機協(xié)同設(shè)計驗證的重要支撐，是對設(shè)計功能性能驗證的重要手段，能夠?qū)υO(shè)計的優(yōu)化改進提供驗證數(shù)據(jù)及改進方向。

關(guān)鍵專題物理樣機快速試制條件主要包括：

1)數(shù)字樣機快速成形系統(tǒng)：利用激光快速成型等增材制造系統(tǒng)實現(xiàn)各型數(shù)字化樣機的快速成型，滿足研制物理樣機的快速試制及展示驗證的要求。

2)物理樣機快速加工工作坊：根據(jù)研制單位產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵專題驗證物理樣機特征需求，配套建設(shè)適用于常用、小型環(huán)境適應(yīng)性驗證實物結(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，滿足物理樣機的試制、改進、調(diào)整要求。物理樣機快速加工工作坊不依賴于研制單位的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，為實現(xiàn)快速驗證奠定基礎(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?，F(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酷的環(huán)境適應(yīng)性考驗，因此要實現(xiàn)良好的環(huán)境適應(yīng)性物理樣機模擬，需要配置必要的板級電路組件。

4)裝備防護樣件快速試制系統(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，對裝備所采用材料、結(jié)構(gòu)形式及防護工藝的防護性能及腐蝕與控制技術(shù)的有效性進行快速驗證，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇以及防護工藝方面的缺陷。

4 全域環(huán)境適應(yīng)性試驗、評估條件

通過全域環(huán)境適應(yīng)性試驗、評估條件建設(shè)，實現(xiàn)多種預(yù)示、診斷、評價手段的綜合化，實現(xiàn)機械環(huán)境、熱力環(huán)境、自然環(huán)境、電磁環(huán)境等多專業(yè)領(lǐng)域驗證測試方法與過程的融合化（由單專業(yè)領(lǐng)域測試為主向多領(lǐng)域耦合測試為主方向發(fā)展），實現(xiàn)多種復(fù)雜服役環(huán)境條件驗證測試的一體化，形成多功能、跨專業(yè)、高性能環(huán)境試驗與評估能力，充分滿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)測設(shè)計與綜合驗證測試需求。

全域環(huán)境適應(yīng)性試驗、評估條件由“環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計預(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)性綜合評價系統(tǒng)”和“特種裝備環(huán)境適應(yīng)性實驗評估系統(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、仿真分析提供所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的試驗儀器和配套測試、分析軟件構(gòu)成，是實現(xiàn)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性數(shù)字化物理樣機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、評估條件建設(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、電磁兼容測試硬件（含配套專業(yè)軟件）組成，實現(xiàn)對環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵專題物理樣機以及真實產(chǎn)品進行精確、全面、高效地診斷測試，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計、元器件、材料選擇以及工藝方面的缺陷，確定其導(dǎo)致問題出現(xiàn)的主要因素，以便采取適當?shù)拇胧倪M設(shè)計，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)性綜合評價系統(tǒng)主要由機械環(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)備及配套測試、控制儀器組成（含配套軟件），實現(xiàn)對環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵專題物理樣機以及真實產(chǎn)品的設(shè)計正確性、問題解決措施有效性進行深入評價并反饋多種測試參量結(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)計能力，國內(nèi)華為、中興等大型民用電子、通信公司已經(jīng)啟動了相關(guān)專題技術(shù)研發(fā)平臺的建設(shè)工作，成立了相關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性實驗室，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)合所在單位實際，提出以數(shù)字樣機優(yōu)化設(shè)計為核心，以物理樣機試制與驗證為基礎(chǔ)，由多學(xué)科協(xié)同綜合優(yōu)化設(shè)計條件、關(guān)鍵專題驗證樣件快速試制條件、全域環(huán)境適應(yīng)性試驗評估條件組成的軍用電子裝備環(huán)境適應(yīng)性研發(fā)平臺建設(shè)思路，同時對具體建設(shè)方案進行了研究論證。該研發(fā)平臺覆蓋了裝備研發(fā)流程的前、中、后各個階段，可以全面提升軍用電子裝備綜合設(shè)計水平，實現(xiàn)裝備技戰(zhàn)術(shù)水平的持續(xù)完善與提高，同時有利于環(huán)境適應(yīng)性專業(yè)領(lǐng)域的知識積累與技術(shù)創(chuàng)新，希望能對相關(guān)行業(yè)提供參考借鑒。

[1]熊騰飛,馬洪波,呂文軍.建設(shè)航空機電系統(tǒng)集成研發(fā)平臺[J]. 航空制造技術(shù), 2013,10(19):46-48

[2] GJB 4239-2001,裝備環(huán)境工程通用要求[S].

[3] GJB 150A-2009,軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法[S].

[4]熊長武.裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計思想變革與實踐[J].裝備環(huán)境工程,2014,4(2):20-25

[5] HB 7757-2005, 飛機數(shù)字樣機通用要求[S].

[6]韓喜,趙英杰,楊賀,等.航天產(chǎn)品數(shù)字樣機概念研究[J].計算機仿真, 2016,2(2):6-9.

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

嚴宏（1968-），男，四川江油人，高級工程師，主要從事軍用電子裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計與技術(shù)管理工作。

熊長武（1975-），男，重慶萬州人，碩士，研究員級高級工程師，主要從事軍用電子裝備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計與環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)研究工作。