摘 要 基于面向壽命周期的定費(fèi)用設(shè)計(jì)與控制既不是追求極限的技術(shù)性能指標(biāo)，也不是追求最小的壽命周期費(fèi)用，而是將目標(biāo)成本控制起始點(diǎn)前移到需求生成階段，強(qiáng)調(diào)在經(jīng)濟(jì)可承受指標(biāo)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)和壽命周期費(fèi)用的最佳平衡，并基于壽命周期成本初始基線進(jìn)行嚴(yán)格管控。本文基于某航空裝備典型部件尾翼，通過(guò)價(jià)值工程、壽命周期成本預(yù)測(cè)開展了壽命周期定費(fèi)用設(shè)計(jì)工作，并對(duì)壽命周期的定費(fèi)用控制進(jìn)行了詳細(xì)闡述，文中采用的邏輯、方法可為航空裝備成本工程師所借鑒參考。

關(guān)鍵詞 航空裝備；定費(fèi)用設(shè)計(jì)；壽命周期；目標(biāo)成本

DOI： 10.19840/j.cnki.FA.2024.05.010

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和裝備技術(shù)指標(biāo)要求的提高，航空裝備壽命周期費(fèi)用也在大幅上漲[1]。壽命周期費(fèi)用看似是其各個(gè)階段費(fèi)用相加之和，但是總體設(shè)計(jì)方案一旦確定，壽命周期費(fèi)用的65%左右也就大體確定，待詳細(xì)設(shè)計(jì)和鑒定工作完成后，壽命周期費(fèi)的85%便已經(jīng)確定[2]。為確保以國(guó)家經(jīng)濟(jì)可承受得起的價(jià)格采購(gòu)具備技術(shù)優(yōu)勢(shì)的航空裝備，總體單位必須基于設(shè)計(jì)源頭開展面向壽命周期的定費(fèi)用設(shè)計(jì)工作。

傳統(tǒng)的定費(fèi)用設(shè)計(jì)是將科研費(fèi)、目標(biāo)價(jià)格和使用保障費(fèi)等費(fèi)用指標(biāo)，作為與性能、尺寸、重量、可靠性、維修性等技術(shù)指標(biāo)同等重要的一種設(shè)計(jì)原則和思想，技術(shù)指標(biāo)和壽命周期內(nèi)各項(xiàng)費(fèi)用指標(biāo)均要達(dá)到既定的目標(biāo)[3-5]。基于面向壽命周期的定費(fèi)用設(shè)計(jì)既不是追求極限的技術(shù)性能指標(biāo)，也不是追求最小的壽命周期費(fèi)用，而是將目標(biāo)成本控制起始點(diǎn)前移到需求生成階段，強(qiáng)調(diào)在經(jīng)濟(jì)可承受指標(biāo)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)航空裝備體系能力、壽命周期費(fèi)用和可支配資源三者之間的最佳平衡。

一、面向壽命周期的定費(fèi)用設(shè)計(jì)

面向壽命周期的定費(fèi)用設(shè)計(jì)，就是基于經(jīng)濟(jì)可承受性進(jìn)行壽命周期內(nèi)成本控制。壽命周期目標(biāo)成本應(yīng)由技術(shù)、管理、經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量管理等多部門基于技術(shù)優(yōu)勢(shì)識(shí)別、國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平及預(yù)期科學(xué)分析與決策得出，同時(shí)在研制過(guò)程中對(duì)目標(biāo)成本嚴(yán)格控制、連續(xù)不斷地審核、迭代，使之壽命周期內(nèi)成本可控[6]。

（一）經(jīng)濟(jì)可承受性分析

航空裝備經(jīng)濟(jì)可承受性分析是指從裝備效能、戰(zhàn)技指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)結(jié)合的角度進(jìn)行可行性分析，預(yù)測(cè)航空裝備壽命周期成本，以及研制、采購(gòu)、使用保障等各階段所需經(jīng)費(fèi)投入，分析產(chǎn)品是否滿足裝備開支的長(zhǎng)期投資，以此來(lái)平衡裝備壽命周期成本與性能等技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)濟(jì)可承受分析主要有計(jì)劃年度投資法和單位成本法[7]。

1. 計(jì)劃年度投資法需全面考慮航空裝備研制進(jìn)度、成本費(fèi)用、技術(shù)指標(biāo)、人力投入等各方面要素，從航空裝備能力聚類的更高角度，在較長(zhǎng)周期跨度內(nèi)，對(duì)航空裝備經(jīng)濟(jì)可承受性進(jìn)行評(píng)估。

2. 單位成本法是對(duì)具體項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可承受性分析。高度集成的系統(tǒng)、子系統(tǒng)成本費(fèi)用十分昂貴，需評(píng)估本項(xiàng)目總體經(jīng)濟(jì)可承受性和子系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可承受性。

面向壽命周期的定費(fèi)用設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)可承受性分析主要針對(duì)某具體項(xiàng)目及其附屬高度集成/高價(jià)值的系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可承受分析[8]。經(jīng)濟(jì)可承受分析構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)需具備客觀性、獨(dú)立性、完備性、簡(jiǎn)潔性和可度量性的特點(diǎn)，通過(guò)分級(jí)指標(biāo)的構(gòu)建、分解、計(jì)算完成裝備經(jīng)濟(jì)可承受分析工作。

（二）壽命周期目標(biāo)成本

壽命周期成本包括研究與發(fā)展成本（論證、研制、試驗(yàn)和鑒定費(fèi)）、投資成本（生產(chǎn)采購(gòu)費(fèi)用）、使用與保障成本和處理成本。壽命周期成本測(cè)算流程為：明確假設(shè)和約束條件。主要包括基準(zhǔn)年和貨幣單位、通貨膨脹率、部署方案、使用和保障方案、維修要求、使用年限、有關(guān)采辦里程碑的限制和范圍、采辦策略、生產(chǎn)數(shù)量、研制和樣機(jī)數(shù)量、進(jìn)度信息、技術(shù)假設(shè)和要研發(fā)的新技術(shù)等；編制計(jì)劃項(xiàng)目說(shuō)明書。主要包括航空裝備項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)、計(jì)劃、使用以及綜合數(shù)據(jù)資料；編制裝備工作分解結(jié)構(gòu)。依據(jù)GJB 2116A-2015《武器裝備研制項(xiàng)目工作分解結(jié)構(gòu)》建立系統(tǒng)性、完整性和層級(jí)適度的航空裝備工作分解結(jié)構(gòu)（Work Breakdown Structure， WBS）；選擇成本估算方法（成本估算方法主要有工程估算法、參數(shù)估算法和類比法）；收集數(shù)據(jù)。主要收集研制、生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)和使用與保障成本數(shù)據(jù)；編制壽命周期成本測(cè)算報(bào)告。

壽命周期目標(biāo)成本估算和審查完成后，總體單位必須制定初始成本基線，并按成本基線對(duì)其壽命周期成本進(jìn)行嚴(yán)格管控。各里程碑決策點(diǎn)時(shí)，實(shí)際成本與成本基線出現(xiàn)較大偏離時(shí)按規(guī)定審批程序進(jìn)行報(bào)批。

（三）定費(fèi)用設(shè)計(jì)權(quán)衡

定費(fèi)用設(shè)計(jì)權(quán)衡主要指技術(shù)指標(biāo)與目標(biāo)成本的權(quán)衡，主要工作包括：將目標(biāo)成本引入日常設(shè)計(jì)工作，開展技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果權(quán)衡，利用成本和性能之間的映射關(guān)系，把成本作為一個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)，來(lái)評(píng)定設(shè)計(jì)工作的有效性；設(shè)計(jì)工程師要與成本工程師充分溝通協(xié)調(diào)，考慮設(shè)計(jì)對(duì)后續(xù)階段成本的影響，做好預(yù)防性設(shè)計(jì)，使航空裝備經(jīng)濟(jì)可承受；以客戶的功能要求、技術(shù)性能指標(biāo)和作戰(zhàn)使用要求為出發(fā)點(diǎn)，研究功能性能、使用要求與成本之間的關(guān)系，全系統(tǒng)多層級(jí)進(jìn)行效能—費(fèi)用綜合權(quán)衡[9]；在整機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、產(chǎn)品設(shè)備級(jí)、組件部件級(jí)開展價(jià)值工程分析，確定功能性能，尋求降低獲得必要功能所需費(fèi)用的備選方案，在不損害所要求的質(zhì)量、可靠性的前提下，剔除冗余功能，發(fā)現(xiàn)和消除不必要的費(fèi)用；可充分借鑒歷史型號(hào)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，吸收以往型號(hào)的優(yōu)點(diǎn)和亮點(diǎn)，降低壽命周期成本。

二、尾翼定費(fèi)用設(shè)計(jì)實(shí)例

某航空裝備尾翼定費(fèi)用設(shè)計(jì)主要從價(jià)值工程分析和壽命周期成本預(yù)測(cè)分析兩個(gè)維度開展定費(fèi)用設(shè)計(jì)工作。

（一）價(jià)值工程分析

某航空裝備尾翼針對(duì)金屬與復(fù)合材料兩種構(gòu)型方案開展權(quán)衡對(duì)比分析。假設(shè)尾翼結(jié)構(gòu)采用相同的外形、載荷、結(jié)構(gòu)布置、傳力路徑、金屬材料肋與接頭結(jié)構(gòu)、載荷工況進(jìn)行計(jì)算，分別滿足強(qiáng)度應(yīng)力或應(yīng)變水平控制要求、有相當(dāng)?shù)膭偠纫?，所不同的是尾翼的梁、壁板分別采用金屬與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

1. 壁板重量權(quán)衡對(duì)比

復(fù)合材料壁板拉伸應(yīng)變?nèi)≈?000με，壓縮應(yīng)變?nèi)≈?500με，剪切應(yīng)變?nèi)≈?000με。金屬壁板控制應(yīng)力的設(shè)計(jì)要求是受壓載荷為主的翼面應(yīng)力水平不大于345MPa，受拉為主翼面載荷應(yīng)力水平不大于310MPa。

在進(jìn)行重量估算時(shí)，假設(shè)長(zhǎng)桁占整個(gè)壁板橫截面積35%，復(fù)合材料蒙皮模量取值60GPa，復(fù)合材料長(zhǎng)桁模量取值80GPa，則拉伸載荷為主的應(yīng)力水平取值為4000με×60Gpa×0.65+ 4000με×80Gpa×0.35=268Mpa，壓縮載荷為主的應(yīng)力水平取值為3500με×60Gpa×0.65+ 3500με×80Gpa×0.35=234.5Mpa。復(fù)合材料加筋壁板密度按1.6g/cm3估算，由此可以得到復(fù)合材料加筋壁板受拉載荷為主的壁板單位密度應(yīng)力水平為268÷1.6=167.5；受壓載荷為主的壁板單位密度應(yīng)力水平為234.5÷1.6=146.6。金屬壁板受拉載荷為主的壁板單位密度應(yīng)力水平為310÷2.7=114.8；受壓載荷為主的壁板單位密度應(yīng)力水平為345÷2.7=127.8。受拉壁板減重效率為（167.5-114.8）÷167.5×100%=31.4%；受壓壁板減重效率為（146.6-127.8）÷146.6×100%= 12.8%。通過(guò)重量權(quán)衡對(duì)比分析，尾翼壁板結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯。具體差異見表1。

2. 翼梁重量權(quán)衡對(duì)比

翼梁主要由梁緣條和腹板構(gòu)成，梁緣條主要承受尾翼彎曲載荷轉(zhuǎn)化為拉、壓載荷，腹板主要承受剪切載荷。采用復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)可以通過(guò)鋪層設(shè)計(jì)，使上下緣條拉伸模量、腹板剪切模量較大，從而使翼梁結(jié)構(gòu)效率最大化、降低結(jié)構(gòu)重量。結(jié)合壁板重量權(quán)衡對(duì)比章節(jié)結(jié)論，翼梁采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量收益明顯，同時(shí)可以有效解決尾翼展向翼梁與壁板的熱膨脹差異性問(wèn)題。

3. 成本權(quán)衡對(duì)比

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的成本主要體現(xiàn)在材料、制造（設(shè)備、模具工裝、制造工藝）、后加工、無(wú)損檢測(cè)以及裝配等方面。在不計(jì)入模具成本時(shí)，按目前國(guó)際材料價(jià)格估算，復(fù)合材料整體壁板及梁的制造成本（含無(wú)損檢測(cè)成本）為0.74萬(wàn)元/kg。每架機(jī)尾翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件重量共200kg，制造費(fèi)用約為148萬(wàn)元。大型復(fù)合材料制件需要的INVA合金模具造價(jià)較高，成本約為11萬(wàn)元/平方米，完成一架尾翼整體壁板及兩根翼梁所需模具面積約為38平方米。模具投入418萬(wàn)元，考慮模具屬于一次性投入，按50次（保守估計(jì)，一般可用100次以上）批生產(chǎn)進(jìn)行分?jǐn)?，成本僅增加8.38萬(wàn)元/架。考慮模具費(fèi)用后，每架機(jī)尾翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造成本為156.36萬(wàn)元。

金屬尾翼采用整體加筋壁板，梁也是整體機(jī)加件。壁板材料為2024厚板（110元/kg）機(jī)加和7150厚板（150元/kg）機(jī)加，前后梁為7050厚板（150元/kg）機(jī)加。金屬尾翼方案結(jié)構(gòu)重量約為235公斤[按復(fù)合材料減重15%估算（200kg/（1-15%）]，2024厚板137kg、7050厚板40kg、7150厚板58kg，材料利用率按5%、制造費(fèi)用按等于材料成本估算，金屬尾翼制造成本約為：[（137÷0.05×110）+（40÷0.05×150）+（58÷0.05×150）]×2÷10000= 119.08萬(wàn)元。

通過(guò)成本對(duì)比分析，復(fù)合材料尾翼較金屬尾翼生產(chǎn)成本增加約37.28萬(wàn)元/架，再考慮裝配因素（構(gòu)件整體化程度高、裝配工時(shí)減少、標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量減少），增加值會(huì)有所下降?？湛凸緮?shù)據(jù)表明，在生產(chǎn)100架民用航空飛機(jī)的條件下，每減輕1kg重量允許進(jìn)行8000馬克（1984年經(jīng)濟(jì)條件）的投資，換算成人民幣約8萬(wàn)～12萬(wàn)元（購(gòu)買力）。復(fù)合材料尾翼較金屬尾翼減重約35kg，則相應(yīng)可以增加280萬(wàn)～420萬(wàn)元的投資。綜上，復(fù)合材料尾翼成本存在一定優(yōu)勢(shì)。具體差異見表2。

（二）壽命周期成本預(yù)測(cè)分析

研究與發(fā)展階段設(shè)計(jì)方案直接決定壽命周期成本，投資成本和使用與保障成本是壽命周期成本的主要構(gòu)成。因此，某航空裝備尾翼主要對(duì)其投資成本和使用與保障成本進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。

1. 投資成本

投資成本預(yù)測(cè)方法主要有工程法、類比法和參數(shù)法三種。工程法是一種自下而上的方法，估算所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量大，過(guò)程復(fù)雜，周期長(zhǎng)，不適合方案早期的費(fèi)用評(píng)估；參數(shù)法是根據(jù)已有同類型飛機(jī)研制費(fèi)用的大量歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)相關(guān)分析選擇一組對(duì)費(fèi)用影響較大的物理和性能參數(shù)，運(yùn)用回歸分析方法建立以這些參數(shù)為自變量的費(fèi)用估算關(guān)系式，以此來(lái)完成投資成本估算；類比法一般應(yīng)用于新型航空裝備概念設(shè)計(jì)階段。

某航空裝備尾翼投資成本基于類比法進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。經(jīng)數(shù)據(jù)搜集、統(tǒng)計(jì)民用航空器成本密度見表3，成本密度平均值為66.49萬(wàn)美元/噸。

某航空裝備最大起飛重量為20.5噸，投資成本20.5×66.49=1363.04萬(wàn)美元。經(jīng)統(tǒng)計(jì)尾翼重量約占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量比例的6%，結(jié)合市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力需求，某航空裝備尾翼投資成本不應(yīng)超過(guò)81.78萬(wàn)美元/架進(jìn)行控制。

2. 使用與保障成本

本文基于Liebeck[10]模型對(duì)某航空裝備尾翼使用與保障成本中維修成本進(jìn)行預(yù)測(cè)。某航空裝備尾翼維修成本主要包括機(jī)體維修勞務(wù)成本和機(jī)體維修材料成本兩部分。

（1）機(jī)體維修勞務(wù)成本

其中： AMLC為機(jī)體維修勞務(wù)成本，單位美元/航段；AFW 為不含發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體重量，單位磅；FH為每航段飛行小時(shí)數(shù)，取輪檔小時(shí)減去地面機(jī)動(dòng)時(shí)間（通常約0.25小時(shí)）；R為維修勞務(wù)費(fèi)率，單位美元/小時(shí)，Liebeck模型中取值為25美元/小時(shí)，考慮經(jīng)濟(jì)環(huán)境及年代不同等客觀因素取值28美元/小時(shí)。

經(jīng)計(jì)算，AMLC為28.67萬(wàn)美元/架。

（2）機(jī)體維修材料成本

其中：AMMC為機(jī)體維修材料成本，單位美元/航段；FCPI 為消費(fèi)者價(jià)格指數(shù)修正系數(shù)，基于CPI上漲情況，取值1.47。

經(jīng)計(jì)算，AMMC值為14.96萬(wàn)美元/架。

（3）維修成本

經(jīng)計(jì)算，某航空裝備尾翼維修成本合計(jì)43.63萬(wàn)美元/架。

三、面向壽命周期的定費(fèi)用控制

影響壽命周期成本的主要為投資成本和使用與保障成本。投資成本主要由材料成本和制造成本構(gòu)成；使用與保障成本主要受機(jī)體重量影響。材料選擇、制造工藝和機(jī)體重量均在研究與發(fā)展階段確定，因此，面向壽命周期的定費(fèi)用控制主要是研究與發(fā)展階段材料體系的選擇、制造工藝的確定和機(jī)體重量的優(yōu)化。

（一）材料體系選擇

材料體系選擇控制主要為：重視新材料及相關(guān)工藝的成本控制，在滿足設(shè)計(jì)及使用要求的前提下，優(yōu)先選用綜合成本低的新材料及加工工藝方法；重視材料的工藝性、工業(yè)化生產(chǎn)、批量供應(yīng)能力和質(zhì)量穩(wěn)定性；隨著生產(chǎn)批量的增加，在滿足技術(shù)要求的前提下，細(xì)化專業(yè)化生產(chǎn)分工，進(jìn)一步提高材料利用率，從而提高材料的制造成熟度，降低產(chǎn)品報(bào)廢率；盡可能減少或壓縮材料牌號(hào)、品種、規(guī)格，減少材料、工藝的復(fù)雜度，在便于材料采購(gòu)的前提下，改善因原材料用量少而引起的采購(gòu)成本提高，最終達(dá)到降低原材料采購(gòu)成本的目的；優(yōu)化合并入廠復(fù)驗(yàn)項(xiàng)目，降低入廠復(fù)驗(yàn)費(fèi)用。

某航空裝備尾翼材料的選用堅(jiān)持性能優(yōu)先、市場(chǎng)成熟和盡可能減少/壓縮材料牌號(hào)的原則，復(fù)合材料主要選用了市場(chǎng)成熟度高、用量規(guī)模大的T800級(jí)中等模量高強(qiáng)度碳纖維預(yù)浸料，金屬材料主要選用了7050-T7451預(yù)拉伸板鋁合金。

（二）制造工藝的確定

復(fù)合材料制造工藝主要有手工鋪貼、自動(dòng)鋪帶技術(shù)（ATL）和自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)（AFP）三種工藝。工業(yè)部門統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：手工鋪疊復(fù)合材料效率為3磅/h，自動(dòng)化技術(shù)能達(dá)到15～30磅/ h；手工鋪疊復(fù)合材料廢料量為15%～20%，而自動(dòng)化技術(shù)可以減少到5%左右。因此，復(fù)合材料制件可通過(guò)自動(dòng)鋪帶技術(shù)（ATL）和自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)（AFP）來(lái)提高制造效率、材料利用率，從而降低生產(chǎn)成本。

為有效降低某航空裝備尾翼復(fù)合材料制件制造工時(shí)，其大尺寸復(fù)合材料制件采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)（ATL）來(lái)提高鋪貼效率、材料利用率進(jìn)行費(fèi)用控制。

（三）機(jī)體重量?jī)?yōu)化

某航空裝備尾翼首先以盒段變量為設(shè)計(jì)參數(shù)，在PATRAN中建立盒段參數(shù)化模型并進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性求解，形成ses文件；其次應(yīng)用MATLAB編制遺傳算法優(yōu)化程序，根據(jù)盒段設(shè)計(jì)變量設(shè)定優(yōu)化變量；然后將遺傳算法產(chǎn)生的初始變量值賦值給PATRAN中的ses文件參數(shù)，自動(dòng)建立有限元模型并進(jìn)行穩(wěn)定性求解；最后將求解結(jié)果傳遞到遺傳算法中進(jìn)行變量的適應(yīng)度分析，根據(jù)適應(yīng)度分析結(jié)果進(jìn)行選擇、交叉和變異等遺傳算法的操作后，再次進(jìn)行參數(shù)化建模和求解等循環(huán)工作，直至循環(huán)到達(dá)設(shè)定的遺傳代數(shù)，得到其最優(yōu)結(jié)果。

某航空裝備尾翼通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)確保應(yīng)變分布合理、結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高效，得到較優(yōu)結(jié)構(gòu)重量。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著武器裝備改革不斷向前推進(jìn)，研究與發(fā)展階段基于面向壽命周期的航空裝備定費(fèi)用設(shè)計(jì)與控制工作顯得尤為重要。研究與發(fā)展階段只有從設(shè)計(jì)思想、規(guī)定、準(zhǔn)則、流程和方法上不斷完善定費(fèi)用設(shè)計(jì)能力，航空裝備壽命周期的投資成本（生產(chǎn)采購(gòu)費(fèi)用）、使用與保障成本和處理成本才能得到有效控制，才能滿足未來(lái)的新型航空裝備軍事優(yōu)勢(shì)、技術(shù)領(lǐng)先和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可承受的多維度要求。 AFA

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（編輯：張春紅）