典型环境条件下装备环境适应性的评估方法

2010-02-23武月琴傅耘敖亮

装备环境工程 2010年6期

武月琴，傅耘，敖亮

（中国航空综合技术研究所，北京 100028）

环境适应性要求是一个十分复杂的战技指标，由于这一要求的多样性和复杂性，在以往装备的立项论证中往往只能将这一要求系统化和原则化。由于要求过于笼统，承制方不得不根据这一原则要求，自己将其落实到系统、分系统和设备各个等级[1]。各系统、分系统和设备针对各种因素分别提出相应的环境适应性要求，构成了型号工程下层产品合同或协议书中环境适应性要求的内容。由于目前对环境适应的评价尚不够明确、没有制订相应的标准，目前这一要求在研制任务书和合同中往往提得不够全面和合理，影响了装备研制和生产过程中环境工程工作开展，因此迫切需要解决环境适应性的评价问题[2]。笔者在系统分析航空装备环境适应的特点及环境适应性要求类型的基础上，建立了装备环境适应性的评估模型，实现了装备环境适应性的有效评估。

1 环境适应性要求的类型及特点

装备的环境适应性主要取决于两方面的因素：1）选用的材料、构件、元器件的耐环境能力；2）采用的耐环境设计措施是否有效。对于航空装备来说，其环境适应性要求可以分为对材料及其涂镀层、结构件、连接件的环境适应性要求和功能件(整机、系统、分系统和设备)的环境适应性要求两种类型。笔者将材料及其涂镀层的环境适应性放到功能件的环境适应性评估中，对于结构件与连接件可采用其耐久性评估指标。环境适应性要求具有以下特点∶唯一性、综合性和半定量性。

2 多级模糊综合评估模型

影响航空装备的环境因素主要表现在以下3个方面∶1）装备执行任务随机;2）工作环境描述模糊;3）环境参数的变化不确定[3]。运用模糊理论建立各因素的模糊隶属度函数，并采用模糊综合评估方法对航空装备的环境适应性进行综合评价。建立装备环境适应性的多级模糊综合评估模型的具体步骤如下。

2.1 建立因素集及因素类集

因素集是影响装备环境适应性的各种因素所组成的集合。当因素很多时，首先需要根据各因素的特点将因素分为类，记为：

U={u1，u2，…，um}

式中：ui={ui1，ui2，…，uj}，i=1，2，…，m，u表示影响装备环境适应性的因素，如振动、温度和盐雾等。

2.2 建立权重集

在多级模糊综合评判中,确定权重是其中很重要的一个步骤,直接影响到最后评判结果的准确性。权重集包括因素类权重集和因素权重集。

2.2.1 建立因素类权重集

根据每个类的重要程度，赋予每个因素类以相应的权数。设第i 类因素类ui的权数记为ai=（1，2，…，m），则因素类权重集为：

A={a1，a2，…，am}

2.2.2 因素权重集

每一类因素中，根据各个因素的重要程度，赋予每个因素以相应的权数。设第i类中第j个因素uij的权数记为aij={1，2，…，m}；j=1，2，…，ni，其中ni为第i类元素的个数，则因素权重集为：

Ai={ai1，ai2，…，ain} i=1，2，…，m

2.3 建立评价集

在模糊综合评价中，评价集是以评判的各种可能的结果为元素所组成的集合。因为目前的环境适应性霉菌及盐雾的环境适应性分析是定性的，是根据长霉程度及腐蚀程度而定的。而振动环境试验结果是通过或不通过，即使通过了环境试验，外场使用还会出现不适应环境的情况。为了综合分析各单因素的影响，将产品的环境适应性分为5 个等级{0，1，2，3，4}，因此评价集可表为：

V={v1，v2，v3，v4，v5}

2.4 一级模糊综合评判

按每类中的各个因素进行综合评判。设按第i类中第j 个因素uij评判，评判对象隶属于评价集中的第 k 个元素的隶属度为 rijk（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；k=1，2，…，5），则可得一级模糊综合评判的单因素评判矩阵。于是，可得各类因素的模糊综合评判结果。

2.5 二级模糊综合评判

一级模糊综合评判仅是对一类中的各因素进行综合。为了考虑各类因素的综合影响，还必须在类与类之间进行综合，这便是二级模糊综合评判。二级模糊综合评判时的单因素评判，应为相应的一级模糊综合评判。因此二级模糊综合评判的单因素评判矩阵应为一级模糊综合矩阵。

3 案例分析

某机载产品进行了低温贮存、低温工作、高温工作、高温贮存、温度冲击、加速度、冲击、振动、湿热、霉菌和盐雾试验。根据试验结果评估此产品的环境适应性。

3.1 建立因素集

根据产品的各种试验结果，来评估产品的环境适应性。因素集为各种试验组成的集合表示为{低温贮存，低温工作，高温工作，高温贮存，温度冲击，加速度，冲击，振动，湿热，霉菌，盐雾}。根据各因素的特点将因素分为3类，记为：

U={u1，u2，u3}

其中u1={低温工作，低温贮存，高温工作，高温贮存，湿热，温度冲击}；u2={霉菌，盐雾}；u3={冲击，加速度，振动}。

3.2 确定各层次权重

根据各环境因素的特点，采用基于判断矩阵的权重确定方法。具体步骤如下：

1）每次取 2 个因素 xi和 xj，以 pij表示 xi和 xj对环境适应性影响大小之比，全部比较结果用判断矩阵p=（pij）n×n表示。

2）将判断矩阵p 的n个行向量归一化后的算术平均值，作为权重向量，即权向量为：p=（a1，a2，…，an），满足：

3）建立因素类权重集

设因素类ui的权数为ai（i=1，2，3），则因素类权重集为：

A=（a1，a2，a3）

根据分析得因素类权重集对应的判断矩阵为：

4）因素权重集

每一类因素中，根据各个因素的重要程度，赋予每个因素以相应的权数。设第i类中第j个因素的权数为aij，则因素权重集为：

A1={a11，a12，a13，a14，a15，a16}，A2={a21，a22}，A3={a31，a32，a33}

为了得到因素权重集，构建每个因素集对应的判断矩阵。

因素集u1={低温工作，低温贮存，高温工作，高温贮存，湿热，温度冲击}对应的判断矩阵为：

因素集u1的权重集为：A1=[0.366，0.293，0.166，0.089，0.055，0.033]

因素集u2={霉菌，盐雾}对应的判断矩阵为：

因素集u3={冲击，加速度，振动}对应的判断矩阵为：

因素集 u3的权重集为：A3=[0.106 1，0.633 4，0.260 5]

3.3 建立评价集

评价集为：V={v1，v2，v3，v4，v5}，其中vk=k-1，k=1，2，3，4，5。

3.4 单因素模糊评估

根据每种试验的试验条件，分别评估产品对单因素的环境适应性，并分别得到产品对单环境因素适应性的评价矩阵，如下：

1）低温工作：工作温度为：-55 ℃，单因素评价值为：r11=0.422。

2）湿热：相对湿度为：85%，单因素评价值为：r12=0.012。

3）霉菌：按照MIL-STD-810F 中长霉程度评定准则建立模糊集：

A4={μ（0），μ（1），μ（2），μ（3），μ（4）}

式中：μ（i）表示该航空装备材料的长霉程度隶属于等级i的概率（可以通过历史数据或相似产品的信息得到）。由专家确定的各等级对应的环境适应程度为：

B=（1，0.6，0.3，0，0）

则该航空装备材料对环境因素霉菌的适应程度为：

将评估结果等级1带入，求得r21=0.6。

4）盐雾：建立盐雾（沙尘）的梯形隶属函数为∶

式中：x为腐蚀程度。将腐蚀程度按照从轻到严重划分为4 个等级：a=1，b=2，c=3，Smax=4。在此试验中x=1.6，求得r22=0.85。

5）振动：振动量级为18，单因素评价值为r33=0.078。

3.5 一级模糊评估

利用单因素评估结果，按照因素类的划分，对每个因素集分别调用其对应的一级权重向量，进行一级模糊评估。各因素集的一级评估结果如下：

r1=a11r11+a12r12+L+a16r16=0.4，r2=a21r21+a22r22=0.66，r3=a31r31+a32r32+a33r33=0.11

3.6 二级模糊综合评估

一级模糊评估仅是对一类中的各个因素进行综合。为了考虑各类因素的综合影响，还必须在类之间进行综合，这便是二级模糊综合评估。利用一级模糊评估的结果，再调用二级权重向量，完成二级模糊综合评估。

r=a1r1+a2r2+a3r3=0.392

因此，该产品的环境适应性为2级。

4 案例分析

装备环境适应性虽然取决于选材和采取的耐环境措施，但对不同的环境，产品适应环境的程度不同。在产品不适应环境时定义其环境适应程度为0，然后用0与1之间的数描述产品适应环境的程度。为了说明方法的有效性，将案例中产品的一些环境条件改善，看产品的环境适应性变化情况。将低温工作试验中的温度由-55 ℃升高到-40 ℃；将高温工作试验中的温度由70 ℃降到50 ℃，振动由18降到5，其他试验条件不变，然后评估此产品的环境适应性。