基于数字样机的军用电子装备环境适应性研发平台建设

严 宏，熊长武，吕 倩，方 伟

（中国西南电子技术研究所，成都 610036）

基于数字样机的军用电子装备环境适应性研发平台建设

严 宏，熊长武，吕 倩，方 伟

（中国西南电子技术研究所，成都 610036）

本文提出了以数字样机优化设计为核心，以物理样机试制与验证为基础，由多学科协同综合优化设计条件、关键专题验证样件快速试制条件、全域环境适应性试验评估条件组成的军用电子装备环境适应性研发平台建设思路。

环境适应性;研发平台;数字样机;物理样机;试验评估

引言

研发平台泛指技术研究、产品开发过程所涉及的所有管理、技术、资源体系的有机集成，为实现复杂产品研制提供有效手段。目前各地区、各行业、各单位在进行研发平台建设时还是以技术管理为核心的研发管理平台（诸如PDM、ERP）为主，而产品研发是一项复杂的系统工程，除管理提升外，以企业技术、产品研发所需的软硬件资源为核心的研发平台论证、建设已经迫在眉睫。［1］

环境适应性是装备的重要质量特性之一，要求装备在其寿命期可能遇到的各种环境条件下不被破坏，保证实现所有预定功能和性能［2］。随着我国军事现代化和全球化的发展趋势，要求军事电子装备具有航空、航天、高山、沙漠、海洋、岛礁等全域恶劣环境适应性，可以长时间、高可靠性地工作，因此装备全域环境适应性设计已经上升到与装备使用性能设计同等重要的地位。研制单位要快速提高装备环境适应性设计能力，就需要建立完整的环境适应性设计技术体系，培养环境适应性专题设计技术队伍。为此，我们建议成立军用电子装备环境适应性设计技术研发实验室，建设基于数字样机的军用电子装备环境适应性研发平台。［3］

1 平台建设总体思路及框架

从现代军用电子装备研发流程看，主要划分为论证、方案、研发、验证和运维等五个阶段，各个阶段均涉及到装备环境适应性问题，因此GJB 150A-2009《军用装备实验室环境试验方法》［4］明确要求实施GJB 4239-2001《装备环境工程通用要求》,在装备论证、研制、生产和使用过程中开展装备环境工程管理、环境分析、环境适应性设计和环境试验与评价等四个方面工作，并以合理的费用确保装备满足规定的环境适应性要求。但从装备研制单位来讲，主要工作还是集中在装备环境适应性设计和环境试验与评价两个方面的。因此，装备环境适应性设计和环境试验与评价能力、条件是军用电子装备环境适应性研发平台建设的重点。

传统的产品研发过程主要以实物流转、真实试验验证为特点，借助设计师的经验得到产品的基本参数并绘制图纸，加工制造完成后进行实物条件下的真实试验验证，不满足要求则重新反复。这种产品开发模式的主要缺点是设计、制造与试验分离，新产品开发周期长，人为因素造成的质量问题多，资源准备困难，返工多，开发成本高。数字样机是产品整机或系统的数字化描述［5］，随着计算机技术的迅速发展，基于数字样机的军用电子装备研发条件已经日趋成熟，利用各级数字样机进行产品研发、快速制造、试验验证已经变为现实［6］。因此，新一代军用电子装备环境适应性研发平台建设必须以环境适应性数字样机优化设计为核心，以环境适应性物理样机试制与验证为基础，以知识管理与创新、共性技术与通用产品开发、标准体系建设与运用、基础设施与组织建设为支撑，覆盖装备研发流程的前、中、后各个阶段，确保环境适应性研发设计工作科学、正确、合理，全面满足设计要求，同时便于专业领域的知识积累与技术创新。

基于数字样机的军用电子装备环境适应性研发平台主要建设内容框架如图1。

图1 基于数字样机的军用电子装备环境适应性研发平台框架

2 环境适应性数字样机多学科综合优化设计条件

环境适应性数字样机是针对产品研发环境适应性设计需求，通过设计、仿真、虚拟现实模拟等手段，在传统的数字化结构样机的基础上增加虚拟或模拟的环境条件以及环境响应特性数据而生成的更高层级的数字样机，它在环境适应性专题设计方面更加趋近于实物样机，能够在设计阶段准确、直观在预示、感知装备的环境适应能力。环境适应性数字样机多学科综合优化设计条件主要包括数字化结构样机设计条件、专题仿真预示与多学科优化条件、人机交 互与感知条件等：

1)数字化结构样机设计条件通过结构与板级电路三维实体建模与装配工具（实体建模软件或逆向工程建模系统），建立包括板级电路与关键元器件在内的产品环境适应性数字化结构样机，实现产品构型、连接组装等初步设计工作。

2)专题仿真预示与多学科优化条件在产品数字化结构样机基础上通过相应环境适应性功能或性能参数的施加、仿真计算及响应数据处理，建立产品环境适应性数字化物理样机，完成机械、热、电磁、自然环境等功能特性、性能指标的设计、分析、预示与设计优化、性能评估。

3)人机交互与感知条件以产品环境适应性数字化物理样机为基础，通过人机交互与感知环境、虚拟现实环境，将研制的产品同安装、使用平台、环境相结合，集成应用系统的物理、机械、自然环境特征，建立产品环境适应性数字化系统样机，实现在设计阶段就对产品在实际使用条件下的环境适应性能（温度分布、机械振动应力应变、空气流动等）进行全方位的体验、评估。

3 环境适应性关键专题物理样机快速试制条件

环境适应性关键专题物理样机快速试制条件在电子装备的各个研发阶段对部分或全部环境适应性关键专题进行工程实物样机快速试制，减少不确定性因素，规避风险，从而大大提高新装备开发的一次成功率，提高产品的市场竞争力，缩短研发周期，降低研发成本。关键专题物理样机快速试制条件是数字化样机协同设计验证的重要支撑，是对设计功能性能验证的重要手段，能够对设计的优化改进提供验证数据及改进方向。

关键专题物理样机快速试制条件主要包括：

1)数字样机快速成形系统：利用激光快速成型等增材制造系统实现各型数字化样机的快速成型，满足研制物理样机的快速试制及展示验证的要求。

2)物理样机快速加工工作坊：根据研制单位产品环境适应性关键专题验证物理样机特征需求，配套建设适用于常用、小型环境适应性验证实物结构件、功能件（如散热器、风道、流道、装配件等）的加工、制造、组装，满足物理样机的试制、改进、调整要求。物理样机快速加工工作坊不依赖于研制单位的生产制造系统，为实现快速验证奠定基础。

3)印制电路板快速成形系统：包括微波射频及高速电路快速成型设备、EMI性能样件快速成型设备等，可制作微波射频基板、异形基板、互联基板、共形天线、电磁屏蔽、密封与接地结构等。现代军用电子装备中各种射频电路、高速电路、异形电路组件也同样承受了严酷的环境适应性考验，因此要实现良好的环境适应性物理样机模拟，需要配置必要的板级电路组件。

4)装备防护样件快速试制系统：主要包含基材表面活化处理、表面涂覆、三防、充填灌封等样板样件的制作设备设施，对装备所采用材料、结构形式及防护工艺的防护性能及腐蚀与控制技术的有效性进行快速验证，发现产品在结构设计、材料选择以及防护工艺方面的缺陷。

4 全域环境适应性试验、评估条件

通过全域环境适应性试验、评估条件建设，实现多种预示、诊断、评价手段的综合化，实现机械环境、热力环境、自然环境、电磁环境等多专业领域验证测试方法与过程的融合化（由单专业领域测试为主向多领域耦合测试为主方向发展），实现多种复杂服役环境条件验证测试的一体化，形成多功能、跨专业、高性能环境试验与评估能力，充分满足新一代军用电子装备在海、陆、空、邻近空间、外太空等复杂环境条件下的预测设计与综合验证测试需求。

全域环境适应性试验、评估条件由“环境适应性设计预示与分析系统”、“环境适应性综合诊断系统”、“环境适应性综合评价系统”和“特种装备环境适应性实验评估系统”组成，如图2。

1)环境适应性预示与分析系统主要为设计、仿真分析提供所需基础数据的试验仪器和配套测试、分析软件构成，是实现产品环境适应性数字化物理样机精确建模与分析的基础条件。

图2 全域环境适应性试验、评估条件建设内容

2)环境适应性诊断与分析系统主要由多种高精度力学、热、电磁兼容测试硬件（含配套专业软件）组成，实现对环境适应性关键专题物理样机以及真实产品进行精确、全面、高效地诊断测试，发现产品在结构设计、元器件、材料选择以及工艺方面的缺陷，确定其导致问题出现的主要因素，以便采取适当的措施，改进设计，提高产品预期使用环境的适应性。

3)环境适应性综合评价系统主要由机械环境、热力环境、自然环境、电磁环境等多种环境载荷模拟设备及配套测试、控制仪器组成（含配套软件），实现对环境适应性关键专题物理样机以及真实产品的设计正确性、问题解决措施有效性进行深入评价并反馈多种测试参量结果，该系统需要和环境适应性诊断与分析系统配套使用。

5 结论

为快速提高环境适应性设计能力，国内华为、中兴等大型民用电子、通信公司已经启动了相关专题技术研发平台的建设工作，成立了相关的环境适应性实验室，可保障在研装备的关键技术攻关以及新型高效环境控制技术的研发工作。本文针对数字化环境下的军用电子装备环境适应性研发需求，结合所在单位实际，提出以数字样机优化设计为核心，以物理样机试制与验证为基础，由多学科协同综合优化设计条件、关键专题验证样件快速试制条件、全域环境适应性试验评估条件组成的军用电子装备环境适应性研发平台建设思路，同时对具体建设方案进行了研究论证。该研发平台覆盖了装备研发流程的前、中、后各个阶段，可以全面提升军用电子装备综合设计水平，实现装备技战术水平的持续完善与提高，同时有利于环境适应性专业领域的知识积累与技术创新，希望能对相关行业提供参考借鉴。

[1]熊腾飞,马洪波,吕文军.建设航空机电系统集成研发平台[J]. 航空制造技术, 2013,10(19):46-48

[2] GJB 4239-2001,装备环境工程通用要求[S].

[3] GJB 150A-2009,军用装备实验室环境试验方法[S].

[4]熊长武.装备环境适应性设计思想变革与实践[J].装备环境工程,2014,4(2):20-25

[5] HB 7757-2005, 飞机数字样机通用要求[S].

[6]韩喜,赵英杰,杨贺,等.航天产品数字样机概念研究[J].计算机仿真, 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

严宏（1968-），男，四川江油人，高级工程师，主要从事军用电子装备结构设计与技术管理工作。

熊长武（1975-），男，重庆万州人，硕士，研究员级高级工程师，主要从事军用电子装备结构总体设计与环境适应性技术研究工作。