基于數(shù)字樣機的直升機通用質(zhì)量特性評估

張宏斌,翁興國,李藝文

(陸軍航空兵學(xué)院,北京 101123)

0 引言

通用質(zhì)量特性貫穿于裝備全生命周期,在論證中提出,設(shè)計中落實,生產(chǎn)中實現(xiàn),使用中發(fā)揮和提高[1]。通用質(zhì)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(huán)境適應(yīng)性[2]。裝備通用質(zhì)量特性能否滿足使用需求,直接影響裝備效能的發(fā)揮,也是關(guān)系到裝備能否形成和保持戰(zhàn)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(zhì)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(zhì)量特性評估工作主要采取傳統(tǒng)的實裝試驗法和統(tǒng)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(shù)字樣機的出現(xiàn)和發(fā)展為解決以上問題提供了一個新的技術(shù)手段。作為探索,本文嘗試對基于數(shù)字樣機的直升機通用質(zhì)量特性評估進行研究。在分析傳統(tǒng)通用質(zhì)量特性評估工作現(xiàn)狀及問題的基礎(chǔ)上,對基于數(shù)字樣機開展直升機通用質(zhì)量特性評估的概念和優(yōu)勢進行闡述,并提出開展該項工作需關(guān)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(zhì)量特性評估工作現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)行做法

當前,直升機通用質(zhì)量特性評估主要依據(jù)GJB9001B-2009《質(zhì)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(huán)境工程通用要求》等相關(guān)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(tǒng)計分析相結(jié)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(huán)境適應(yīng)性等。為收集足夠的數(shù)據(jù),通常需要兩年以上的試飛時間。且為收集不同條件下的數(shù)據(jù),需要在不同地點、不同環(huán)境、不同任務(wù)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(tǒng)計分析主要是對試飛驗證無法獲取的指標數(shù)據(jù),結(jié)合設(shè)計階段前驗信息而得出評估結(jié)果。

1.2 存在的不足

通過調(diào)研和分析,在驗收鑒定階段開展通用質(zhì)量特性評估,對于保障和提升直升機整體效能的發(fā)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(zhì)量特性評估指標選取針對性不足。從總體上看,目前通用質(zhì)量特性指標驗證主要依據(jù)國軍標要求,側(cè)重于可靠性、維修性、保障性等;對于安全性、環(huán)境適應(yīng)性等指標難以進行實質(zhì)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(shù)據(jù)質(zhì)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(zhàn)科目、任務(wù)剖面、飛行載荷、駐地環(huán)境等,從而導(dǎo)致評估結(jié)果與真實水平存在差異。另外,通過試飛驗證獲取的數(shù)據(jù)具有隨機結(jié)尾特征,在設(shè)計定型階段使用該類數(shù)據(jù)顯然是不合理的[4]。

3)樣本量的問題,評估結(jié)果置信度不高。設(shè)計定型階段的直升機數(shù)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(shù)據(jù)缺乏多方核查與驗證,進一步導(dǎo)致評估結(jié)論存在偏差,難以全面地進行通用質(zhì)量特性評估。

2 基于數(shù)字樣機的通用質(zhì)量特性評估

隨著計算機技術(shù)和仿真技術(shù)的快速發(fā)展,各行業(yè)均逐步建立數(shù)字樣機。數(shù)字樣機是在物理樣機的基礎(chǔ)上以數(shù)字化的形式真實表達產(chǎn)品的幾何外觀、物理特性、功能特性、性能特性等。數(shù)字樣機具備虛擬性、動態(tài)性、多尺度、多學(xué)科交叉、面向產(chǎn)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(shù)字樣機已被廣泛的應(yīng)用于可靠性設(shè)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(guān)概念

基于數(shù)字樣機的直升機通用質(zhì)量特性評估是指以直升機的數(shù)字樣機為對象,在特定仿真評估環(huán)境下,按照通用質(zhì)量特性評估流程,依據(jù)一定的通用質(zhì)量特性評估指標體系,開展各指標驗證,獲取相關(guān)數(shù)據(jù),進而對直升機通用質(zhì)量特性進行評估。

其中,直升機的數(shù)字樣機是依據(jù)直升機實體建立的數(shù)字模型,包括直升機結(jié)構(gòu)、功能、性能等各要素;特定的仿真評估環(huán)境是結(jié)合通用質(zhì)量特性評估需求,按照實際評估條件建立的仿真評估環(huán)境,包括自然環(huán)境、戰(zhàn)場環(huán)境、人機環(huán)境等多種要素;通用質(zhì)量特性評估流程是依據(jù)相關(guān)國軍標,并結(jié)合數(shù)字樣機應(yīng)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(jié)果分析等;一定的通用質(zhì)量特性評估指標體系是在分析基于數(shù)字樣機開展直升機通用質(zhì)量特性評估工作特點的基礎(chǔ)上構(gòu)建的評估指標體系,對傳統(tǒng)評估指標體系進行適當?shù)木C合和裁剪。

2.2 優(yōu)勢

以數(shù)字樣機為基礎(chǔ)開展直升機通用質(zhì)量特性評估與傳統(tǒng)的通用質(zhì)量特性評估方法對比,具有以下優(yōu)勢:

1)復(fù)用性

作為一種數(shù)字化產(chǎn)品,利用數(shù)字樣機在仿真環(huán)境中開展各項通用質(zhì)量特性指標驗證試驗不會對數(shù)字產(chǎn)品本身造成實質(zhì)性物理損傷,同一個數(shù)字樣機可在不同仿真環(huán)境下重復(fù)開展各類指標驗證,可節(jié)約大量經(jīng)費。

2)并行性

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

3)實時性

利用數(shù)字樣機開展通用質(zhì)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(shù)字化工具自動控制并生成指標驗證信息數(shù)據(jù)庫。

4)動態(tài)性

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

5)全面性

由于數(shù)字樣機不會發(fā)生實質(zhì)性物理損傷,因此可開展安全性、環(huán)境適應(yīng)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(zhì)量特性指標。

6)多樣性

利用仿真環(huán)境開展試驗時可根據(jù)實際需求進行不同條件的組合,包含任務(wù)、環(huán)境、裝備狀態(tài)、人員配置等諸多條件,從而獲取大量試驗數(shù)據(jù)。

7)遷移性

基于數(shù)字樣機開展直升機通用質(zhì)量特性評估的過程中會形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)積累和知識積累。這些數(shù)字化的資源可以在設(shè)計方、生產(chǎn)方、需求方等各利益攸關(guān)方之間實現(xiàn)實時傳遞、準確共享。

3 關(guān)鍵問題

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

1)數(shù)字樣機權(quán)威性

數(shù)字樣機是整個工作的基礎(chǔ)。數(shù)字樣機能否真實、全面、準確地反映直升機實體狀態(tài)是關(guān)鍵問題。通用質(zhì)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(shù)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(shù),另外一方面要能夠模擬因使用時間、環(huán)境等變化引起的功能、性能指標退化過程。

2)仿真環(huán)境真實性、全面性

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

3)評估流程合理性

通過數(shù)字樣機開展直升機通用質(zhì)量特性評估時,其流程與傳統(tǒng)通用質(zhì)量特性評估存在明顯區(qū)別。傳統(tǒng)通用質(zhì)量特性評估是采用一種順序模式,對各類環(huán)境、各種指標逐一驗證。而在數(shù)字樣機條件下,可采用并行方法開展,即多個樣機在不同環(huán)境條件下開展不同指標驗證,因此需要合理設(shè)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(wù)劃分剖面等,統(tǒng)籌安排仿真試驗過程,達到最優(yōu)化效果。

4)評估指標體系構(gòu)建

評估指標體系是開展直升機通用質(zhì)量特性評估工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵?；跀?shù)字樣機的直升機通用質(zhì)量特性評估與傳統(tǒng)的通用質(zhì)量特性評估既相互聯(lián)系又有其獨特優(yōu)勢。一方面要參考傳統(tǒng)指標的設(shè)定,遵循系統(tǒng)性、簡明性、可信性等基本原則;另一方面又要結(jié)合通用質(zhì)量特性評估實際需求,并考慮到數(shù)字樣機應(yīng)用的優(yōu)勢,建立綜合性強、實用性高的指標體系。

5)海量數(shù)據(jù)處理

與傳統(tǒng)方法相比,采用數(shù)字樣機進行通用質(zhì)量特性評估時會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。對這些海量數(shù)據(jù),需要進行有效區(qū)分,采用置信區(qū)間、噪聲濾波等方法去除可信度不高的數(shù)據(jù),從而使評估結(jié)果準確。

6)評估算法優(yōu)化

通用質(zhì)量特性評估算法眾多。多位學(xué)者針對通用質(zhì)量特性評估中的不同問題提出了相應(yīng)的解決算法,但其評價基礎(chǔ)仍然是傳統(tǒng)的外場試驗法或統(tǒng)計法?；跀?shù)字樣機的直升機通用質(zhì)量特性評估是對評估基礎(chǔ)和評估手段的一種革新,因此需要研究與其特點相適應(yīng)的評估算法,尤其是仿真數(shù)據(jù)與外場數(shù)據(jù)相結(jié)合條件下的算法。

4 結(jié)語

基于數(shù)字樣機開展直升機通用質(zhì)量特性評估是一項全新的、探索性工作。通過利用數(shù)字樣機開展直升機通用質(zhì)量特性評估具有復(fù)用性、并行性、實時性等優(yōu)勢,可解決傳統(tǒng)通用質(zhì)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(shù)字樣機權(quán)威性、仿真環(huán)境真實性、評估流程合理性、評估指標體系優(yōu)化等關(guān)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(zhì)量特性評估是一項復(fù)雜的工作,且直升機數(shù)字樣機,特別是仿真環(huán)境的建設(shè),仍處于起步階段,因此本文僅對關(guān)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。