建造过程中的可靠性管理

15.4.1 概述

著名科学家钱学森指出：产品的质量与可靠性是设计出来的、生产出来的、管理出来的。产品设计阶段规划了质量与可靠性的要求，而建造过程则是通过科学地集成工艺要素将原材料、设备等加工、总装成产品，确保设计阶段规定的质量与可靠性指标在建造过程中得以实现。建造过程中采用的工艺方法、工序手段会直接影响到产品的尺寸精度、表面质量等制造质量参数，进而影响到使用性能及其稳定程度，最终影响到产品的质量与可靠性。

我国曾在航天系统工程中开展过一次质量问题清理整顿工作，对20多个型号在研制试验中暴露出来的3000多个问题进行研究，统计分析表明因设计方面产生的质量问题约占25.1%，制造工艺约占24%，管理方面约占15%，电子元器件方面约占26%，其他方面约占10%。而电子元器件问题也是由于加工工艺及筛选造成的质量问题，因此制造工艺引起的质量问题占比最大。另有资料统计显示，产品的工艺费用约占产品成本的50%，因建造过程的工艺因素造成的产品问题占总数的60%～70%。

因此，可以说装备质量来源于两个方面，一方面是科学的设计，另一方面是完善的建造。要想提高产品的质量，仅仅提高装备的质量设计能力是不够的，更重要的还要提高制造过程对装备质量的控制与保证能力。

制造过程的质量控制一直人们高度关注的问题，是对满足设计质量要求的装备最终展现在顾客面前的有效保障。多年来，众多学者投身到质量控制方法研究，也取得了丰硕的成果，相继提出一些制造过程的质量控制/管理方法，如质量控制（QC）新老七种工具（老七种工具包括分层法、因果分析法、排列法、直方图法、调查表法、散布图法和控制图法；新七种工具包括关系图法、KJ法、系统图法、矩阵图法、矩阵数据分析法、PDPC法、网络图法）、统计过程控制（SPC）、质量功能展开技术（QFD），正是这些方法的应用才使得装备的建造质量得到了极大的提升。

然而，对一个大型装备（如舰船）而言，建造质量的保证应该是这些方法的综合运用，当然不仅限于这些方法。

众所周知，研制装备的目的是为了其种特定的功能需求。在研制环节中，无论是设计还是建造，都是围绕实现装备的功能而进行的。大型装备的建造是一项复杂的系统工程，往往需要从功能的角度出发，有效地明确每一个建造模块的质量目标，方能确保整体建造质量目标。因此，对大型装备而言，运用以功能为导向的舰船建造质量控制方法（function oriented quality control，FOQC）来保证其建造质量，显得尤为重要。

FOQC的总体思想是，将装备总体功能总体功能分解并关联映射到各建造模块中，以确定各模块的建造质量目标。由此可将复杂的建造总目标分解成特定任务的过程目标，从而确定各层级成品化中间产品，在此基础上，从一体化、区域化生产等角度，制定各生产任务包的作业标准，明确施工细则，从而更好地保障装备建造质量，实现高效的装备建造质量控制；最终达到建造的总体目标，实现装备的总体功能。

下面以大型舰船的建造为示例，进一步对FOQC进行阐述。以功能为导向的舰船建造质量控制方法，其技术要点有三个方面：

（1）从舰船模块功能出发，按照功能—使用性能—建造质量参数—工艺方案的顺序逐级展开，以进行工艺方案规划。

（2）从工艺方案出发，进行工艺对舰船质量与可靠性的影响分析，以确定工艺薄弱环节、关键工艺和关键质量参数等。

（3）在此基础上，对质量控制和质量检验工作进行有针对性的规划，相应地确定质量控制要点和质量检验要点。

FOQC框架体系如图15-3所示。

图15-3 FOQC框架体系

15.4.2 舰船总体功能分解及建造模块质量目标分析

1）舰船总体功能分解

对舰船总体功能进行分解，以对舰船建造提出技术要求。针对舰船总体作战功能进行划分，划分出航空保障功能、海上机动航行功能、通信和作战指挥功能、舰员生活保障功能等。而每一个子功能又可以逐级细分，对舰船各项作战功能进行分解。以航空保障功能分解为例，航空保障功能可以分解为下列几项：

（1）保证舰载机起飞的功能，主要由舰载机弹射起飞装置、飞行甲板和舰载机起飞指挥室来具体实现。

（2）保证舰载机着舰的功能，主要由舰载机着舰阻拦装置和舰载机贵行助降装置来具体实现。

（3）保证舰载机运转的功能，主要由升降机来具体实现。

（4）舰载机后勤保障功能，具体包括舰载机保养、维修、加油、充电、供养、挂弹、冲洗、牵引、系留等功能。

舰船总体功能分解树如图15-4所示。

图15-4 舰船总体功能分解树

2）舰船建造模块分解

将舰船总体功能需求分解并关联到各建造模块中，这一工作的关键是基于现代区域造船模式，确定并分析舰船建造各模块之间的层级影响关系。

现代舰船建造是以中间产品为导向，按区域组织生产，壳晒涂作业在空间上分道，时间上有序，实现设计、生产、管理一体化，均衡、连续的总装造船模式。舰船建造按基本的作业类型分为船体分道作业、区域晒装作业、区域涂装作业，以成品化分段为生产导向，将舰船总体逐级分解到各层级中间产品，如图15-5所示。

对图15-5中的几个要素定义如下：

（1）最低约定层次中间产品：由于中间产品的划分是面向舰船质量控制与检验的，于是，对于舰船产品的分解，不需要一直分解到原材料级，只需要分解到约定的质量控制/检验最低级。将连续作业生产的具有质量特性综合特征的产品作为最低约定层次中间产品。例如，典型平面板架可以作为一个最低约定层次中间产品。

（2）成品化分段：分段作为最上层的中间产品，是构成舰船总体的基本子单元，其质量标准将直接决定舰船总体质量与可靠性水平。因此，成品化分段可为最基本的质量控制与检验对象。

（3）生产任务包：将舰船从总体分解到分段、到最低约定层次中间产品，结合到建造流程，得到一个个生产任务包。生产任务包作为组织生产的最基本形式，出现在作业人员或作业小组面前。成品化中间产品的制造、装配等作业看做是一个个生产任务包。

3）舰船建造模块功能关联模型

在船舶总体功能分解工作的基础上，可构建船舶功能分解树，其对应于功能域；基于现代区域造船模式，研究舰船建造各模块之间的层级及装配关系，建立如图15-4所示的建造模块分解树，其对应于结构域；由此建立航母作战子功能于建造模块之间的关联关系，将航母总体作战功能分解并映射到各个建造模块中，由此构建各建造模块的质量树，得到各建造模块的建造质量标准，其对应质量域；由此，完成功能域、结构域、质量域之间的相互对应和关联关系，如图15-6所示。

图15-6 舰船建造模块功能关联模型

4）舰船建造模块质量目标分析

为了使舰船建造模块能更好地提炼出建造质量目标，用关联矩阵的形式描述如图15-6所示的关联模型（见表15-1）。

表15-1 舰船建造模块功能关联矩阵

根据表15-1，可得舰船各建造模块为实现各子功能而必须实现和具备的质量技术要素，将质量技术要素转化成制造质量参数，集成制造质量参数可得各模块建造质量目标。

15.4.3 建造工艺对舰船质量与可靠性的影响分析

舰船保持规定功能的能力即是可靠性，分析工艺如何影响舰船功能实质上就是分析工艺如何影响舰船可靠性。实现以功能为导向的舰船建造质量控制，关键是进行工艺对建造质量与可靠性的影响分析。下面阐述如何结合舰船建造工艺故障特性，分析研究建造工艺故障对舰船质量与可靠性的影响关系。

1）舰船建造工艺故障模式

工艺故障模式是指不能满足产品加工、装配过程要求和/或设计意图的工艺缺陷。舰船建造是一个典型的多源多工序制造过程，工艺受到人、机、料、法、环、测等多因素影响，不可避免的会产生加工误差。表32给出了普遍适用的一些典型工艺故障模式。

表15-2 典型的工艺故障模式

注：工艺故障模式应采用物理的、专业的术语，而不要采用所见的故障现象进行故障模式的描述

结合舰船建造工艺特点，舰船建造过程中产生工艺故障的原因大致可以分为以下几类（见图15-7）：

图15-7 舰船建造工艺故障原因分类

（1）舰船产品生产、加工的技术要求的缺陷。

①舰船产品参数的技术要求是不合理的，如进行全船精度分配时，因分配错误导致建造过程各中间产品的精度参数是不合理的；

②舰船生产设计给出的工艺过程参数的技术要求是不合理的，以焊接工艺导致的船体变形为例，针对不同的焊接方法、焊接顺序、构件固定方法、焊缝参数等焊接条件，其产生的船体变形是不同的，在生产过程中因工艺过程参数的设置不合理而造成产品故障是显而易见的；

③试验用的技术要求是不合理的，舰船建造过程中需要大量的试验、质量检验来保障舰船的建造质量，质检部门给出的试验条件、质量检验的依据不合理同样会引起产品故障。

（2）舰船制造系统的故障引起的舰船建造工艺过程的可靠性不足。舰船建造系统是一个典型的分层分布式多级制造系统，这样一个制造系统引起工艺过程可靠性不足。

①生产设备的工艺可靠性或者是说生产设备加工能力的稳定性，生产设备故障将直接影响输出的产品质量参数；

②检验工序的工艺可靠性，检验手段是否合理也将影响舰船中间产品的质量，加工过程失败但是检验工序却报验合格将直接导致不合格的产品流到下一个工艺环节中，从而造成产品故障；

③人因可靠性，舰船建造过程有大量的人工操作，由生产人员操作故障而导致的工艺故障明显而又普遍。

（3）工艺故障在多级生产过程中的残留现象和附带现象的产生。残留现象明显的例子是船体构件中的焊接残余应力，附带现象指的是因焊接残余应力从而导致焊接件中出现应力腐蚀裂纹，这一附带引起的材料性质改变最终将导致产品使用性能的下降。

综上分析三个舰船建造工艺故障模式产生的原因和特点，舰船建造工艺故障具备以下特性：一是工艺遗传性。建造质量参数的产生受到多个工序影响，前面工序产生的加工误差仍能可能对后续工序的加工质量造成一定影响。在某一个加工工序完成后，建造质量参数的误差可能由当前工序故障产生，也可能是由前段工序故障造成的误差传递、遗传下来产生的结果。这种由前段工序造成的工艺误差传递到后续工艺的现象称为工艺遗传性。舰船建造过程中，以舵系镗孔为例，前面的舵系拉线产生的舵系中心孔的位置偏差，就会影响到镗孔位置偏差。工艺遗传性的特性说明各个工序不能作为独立事件来处理，工序之间具备相关性的关系。二是工艺自修正性。工艺遗传性描述的工序误差的传递，是前面工序产生的加工误差对后续工序的加工质量产生坏的影响。换一个角度来看，前面工序产生的加工误差亦可能在后续工序中予以修正。这种工序间的特性称之为工艺自修正性。

这里以舵系镗孔为例，镗孔工序有：粗镗加工、半精镗加工和精镗加工（见图15- 8）。每个工序对粗糙度的要求是不一样的，越往后工序精度要求越高。粗镗加工工序产生的加工误差，可能就会在半精镗及精镗工序中得以弥补、修正。工艺自修正性的另外一个特点是越到后面的工序，其对建造质量参数的影响程度越大。

图15-8 舵系镗孔工序

在了解了舰船建造工艺故障特性的基础上，才能进一步分析工艺故障将如何影响使用性能，最终影响舰船任务可靠性。

2）建造工艺对舰船可靠性的影响关系

舰船在出厂时经过一系列的航行试验和质量检验工作，能够确保出厂的这个时刻舰船质量是满足订购方要求的。产品可靠性的另一个解释为“随时间变化的质量”，意味着如果考虑时间因素，舰船产品即使在出厂时虽然质量是满足检验要求的，但是工艺故障这样一种渐发性故障，会加快舰船产品寿命的衰减，并不能保证出厂时的可靠性水平是满足设计要求的，因此在分析舰船任务可靠性时就需要考虑工艺故障所带来的影响。

建造工艺故障对舰船任务可靠性直接的影响关系很难确定。图15-9给出了工艺过程参数对产品可靠性指标的层级影响关系。下面通过如图15-9所示的逻辑关系，结合舰船建造工艺特点，分步阐述建造工艺如何影响舰船任务可靠性。

首先，工艺过程将影响舰船建造的中间产品质量参数。舰船建造系统这样一个分层分布式多级制造系统，工艺方案、生产设备、施工人员、检验测量方案等等都直接影响中间产品的质量参数，包括精度、表面质量等。

其次，舰船产品的制造质量参数将影响其使用性能，如零件的几何形状偏差会影响宏观磨损期，表面粗糙度会影响微观磨损期等，制造质量参数对使用性能的影响是复杂的。

最后，使用性能的下降，会加快产品可靠性指标的下降，最终影响到舰船总体任务可靠性。

因此，舰船工艺故障对舰船总体任务可靠性的影响分三个层级（见图15-9）：一是建造工艺故障影响舰船建造质量参数；二是舰船建造质量参数影响舰船系统或设备的使用性能；三是舰船系统或设备的使用性能下降导致舰船任务可靠性下降。

图15-9 建造工艺影响舰船可靠性水平的层级关系

总之，建造工艺故障对舰船任务可靠性水平的影响关系是具有层级关系且十分复杂，涉及多个学科，难以用具体的数学模型来描述这种不确定的影响关系。

3）以功能为导向的舰船建造工艺可靠性模型

工艺可靠性模型是进行舰船建造工艺系统分析和评价的依据。现有文献大多只针对工艺系统的可靠性进行分析，而忽略了工艺故障对产品可靠性的影响。基于产品可靠性的对工艺系统进行的可靠性分析研究刚刚起步。

故障树是可靠性分析的有效工具，可以直观地展示顶事件与底事件之间的层级关系，方便地找到系统发生故障的原因以及计算系统失效的概率。考虑到建造工艺故障发生概率的随机性以及不确定性，三个层级的影响关系均不能准确地描述清楚，再加上系统及影响关系的复杂性，运用模糊集合论的理论结合故障树模型来分析、评估有一个有效地办法。本节将讨论基于模糊故障树的舰船建造工艺可靠性模型。

传统的故障树的事件之间是具备独立假设的关系的，而由于建造工艺具备故障自修正性和遗传性的特点，各工序之间具有强相关性。为方便地用模糊故障树进行可靠性的分析，这里只用模糊故障树模型描述舰船系统功能到建造质量参数的影响关系，作为工艺可靠性的第一层级模型，第二层级模型则描述工艺与质量参数间的关系，如图15-10所示。

建立舰船系统功能-质量参数模糊故障树模型的具体步骤如下：

（1）建立舰船功能树——结构树关联模型。

传统的舰船可靠性分析模型按照总体—系统—设备区分，而针对舰船建造，则需按照总段—分段—中间产品的模块间的层级关系进行分析，按此层级关系可建立舰船建造模块结构树模型。

（2）建立舰船功能——使用性能层级影响关系。

将舰船系统功能要素展开，确定功能属性对应的使用性能，在考虑建造工艺故障的舰船任务可靠性模型中，这里的使用性能特指会影响舰船任务可靠性水平的使用性能，并且是在时间维度上体现出来的。典型的具备时间效应且受建造工艺故障影响的使用性能有：耐磨性，抗疲劳、抗腐蚀性等等。

（3）建立使用性能——建造质量参数层级关系。

从舰船使用性能出发，逐级分析哪些舰船建造的质量参数会使舰船使用性能下降的。舰船建造过程工艺可靠性就是由这些建造质量参数来评定的。

在清楚了功能质量参数的层级影响关系的基础上，按照故障树建立方法，逐级建立舰船功能质量参数模糊故障树。

图15-10 工艺可靠性两级模型

4）建造工艺对质量参数的影响分析模型

舰船建造工艺的遗传性和自修正性两个特性都意味着工序之间存在相关性关系。为准确描述建造工艺故障对舰船建造质量参数的影响，可采用可靠性框图形式来体现其逻辑关系。依据工序间的逻辑关系，工艺可靠性模型有以下几种形式。

（1）工艺对质量参数的顺序关联模型。

假设某质量参数xi由n个工序tj（j=1，2，…，n）加工完成，考虑到工艺自修正性的特点，只要前面的工序产生的加工误差最终能通过后面的工序来予以修正，也就是说，保证最后一个加工工序的输出能够满足质量参数的要求即可。为保证后续工序顺利展开，也需要前面的工序的加工偏差在一定的范围之内，否则将不能得到修正。将影响质量参数的m个工序按照先后加工顺序，建立工艺对质量参数的顺序关联模型，如图15-11所示。

以两个顺序关联的工序为例，其输出的质量参数xi满足工艺规范要求的概率，即这两个工序过程的工艺可靠度P（xi）可以表示为

图15-11 工艺对质量参数的顺序关联模型

则对于m个顺序关联的加工工序，其输出的质量参数满足工艺规范的概率可以从式（15-1）中求得。

（2）工艺对质量参数的串联模型。

假设质量参数xi由m个工序加工完成，且仅当这m个工序均不发生故障时，才能保证相应的质量参数满足规范要求，这样的工序过程称为工艺对质量参数的串联模型如图15- 12所示。

图15-12 工艺对质量参数的串联模型

假设串联模型内m个工序都是独立的，则输出的质量参数xi满足工艺规范要求的概率，即工艺可靠度P（xi）可以表示为

（3）工艺对质量参数的混联模型。

将工艺对质量参数的顺序关联模型与串联模型融合到一起，成为混联模型。以装配工艺为例，只有在装配零件1和2均符合要求，且装配工艺不发生故障的情况下，才能保证输出的质量参数如同轴度符合规范要求，如图15-13所示。

质量参数xi由建造过程质量参数①和②并在装配工序m+1下完成，则相应的输出的制造质量参数xi符合规范要求的计算式如下：

式中，P（①），P（②）代表建造过程质量参数①和②符合工艺规范的概率，其可由顺序关联模型求出。

5）建造工艺对舰船可靠性影响的定量分析

图15-13 工艺对质量参数的混联模型

（1）舰船建造工艺影响系数。

建造工艺对舰船任务可靠性的影响具有不确定性的特点，难以定量描述并分析。但是，我们可以引入舰船建造工艺影响系数的概念，描述建造工艺故障对舰船总体任务可靠性Rm的贡献程度，其与传统的舰船任务可靠性模型（不考虑工艺故障）共同构成舰船任务可靠性。因此，舰船总体任务可靠度由下式构成：

Rm=CtRwm（15-4）

式中：Ct表示舰船建造工艺影响系数；Rwm表示未考虑建造工艺即现有的舰船可靠性模型所求得的任务可靠性指标，可由传统的系统可靠性分析方法求得。

建造工艺对舰船可靠性影响的定量分析问题的关键是，如何求得舰船建造工艺影响系数Ct。

在建造工艺可靠性模型中，模糊故障树顶事件描述的是因建造工艺故障导致的舰船功能失效或者性能下降。则顶事件发生概率P（FTop）与舰船建造工艺影响系数Ct的关系可以表示如下：

Ct=1-P（FTop）（15-5）

因此，计算Ct的关键在于求得模糊故障树顶事件发生概率P（FTop）。

（2）模糊故障树计算分析。

在舰船系统功能质量参数模糊故障树中，采用下行法可求得故障树的最小割集，则故障树的结构函数ψ（x）可表示为

式中：Gj（x）表示第j（1≤j≤J）个最小割集，假设第j个最小割集内有M个单元，xi（1≤i≤M）表示为割集所对应的底事件向量，其对应的是舰船建造质量参数不符合规范要求这一事件，其可用F（xi）表示：

F（xi）=1-P（xi）（15-7）

由式（15-8）可以看出，求得P（FTop）的关键在于确定最小割集Gj（x）的发生概率，假设最小割集Gj（x）内底事件向量为{x1，x2，…，xn}，则有

P（Gj（x））=F（x1）·F（x2）·…·F（xi）·…·F（xn）

=[1-P（x1）]·[1-P（x2）]·…·[1-P（xi）]·…·[1-P（xn）] （15-9）

式中，P（xi）（i=1，2，…，n）代表的是建造质量参数xi符合工艺规范要求的发生概率，则F（xi）对应的是建造质量参数xi不符合工艺规范要求的发生概率。则有

Ct=1-P（FTop）=1-f（F（x1），F（x2），…，F（xn））（15-10）

式中，f（x）函数为式（322）所表示的P（FTop）计算多项式。因此，为求得Ct，其关键变成求模糊故障树底事件发生概率F（xi），即建造质量参数xi不符合规范要求的发生概率。

（3）工艺对质量参数的影响分析。

模糊故障树底事件发生概率F（xi）对应的是建造质量参数xi不符合规范要求的发生概率。根据实际建造过程工艺之间的相关关系，按照工艺对质量参数的影响分析模型：即工艺对质量参数的顺序关联模型、工艺对质量参数的串联模型和混联模型，分别进行F（xi）的计算。