六西格瑪設(shè)計在航空發(fā)動機試驗設(shè)備設(shè)計中的應(yīng)用

常鴻雯

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引 言

航空發(fā)動機是具有復(fù)雜的氣動力、熱力和結(jié)構(gòu)的動力裝置，是飛機性能的決定因素之一，其被譽為飛機的心臟、機械設(shè)計皇冠上的明珠。從發(fā)動機的發(fā)展歷程可以看出，發(fā)動機的發(fā)展在很大程度上是試驗技術(shù)同設(shè)計分析相結(jié)合的結(jié)果。因此，近年來各國在發(fā)動機試驗技術(shù)和試驗設(shè)備上投入了巨大的人力、物力，使得其技術(shù)的發(fā)展日新月異。

由于航空發(fā)動機行業(yè)的自身特點，在試驗設(shè)備設(shè)計過程中，往往一臺試驗設(shè)備要適應(yīng)多種發(fā)動機型號，而每種型號又有多個不同的性能和質(zhì)量指標(biāo)。同時，發(fā)動機試驗設(shè)備投資大、周期短、不確定因素多，這也對設(shè)備設(shè)計提出了兼容性、擴展性、靈活性等方面的要求。這就使得試驗設(shè)備的設(shè)計變得非常復(fù)雜，帶來了較大的技術(shù)風(fēng)險和資源投入風(fēng)險。從這一角度來看，在試驗設(shè)備設(shè)計領(lǐng)域，急需一種方法保證設(shè)計過程的質(zhì)量水平，降低風(fēng)險。

本文基于某進氣加溫、加壓試車臺的進氣系統(tǒng)設(shè)計實例，研究了六西格瑪設(shè)計( DFSS, De-sign for Six Sigma,本文以下簡稱為DFSS)方法[1-2]同航空發(fā)動機試驗設(shè)備設(shè)計的融合過程，并且以其中氣體摻混器的設(shè)計過程說明了DFSS方法在試驗設(shè)備設(shè)計中的作用。

1 DFSS簡介

DFSS是一種以顧客需求為導(dǎo)向、面向質(zhì)量和可靠性的通用設(shè)計方法。其能夠在確定的技術(shù)基礎(chǔ)上，最大程度地考慮需求、技術(shù)和研制過程的不確定影響因素, 提高設(shè)計結(jié)果的可靠性和魯棒性。DFSS通過引入方法、細化流程、建立多功能團隊等手段提升設(shè)計質(zhì)量、強化研制流程、預(yù)估失效、降低設(shè)計風(fēng)險。其技術(shù)路徑主要分為I（識別）、C（概念）、D（設(shè)計）、O（優(yōu)化）、V（驗證）。針對復(fù)雜的系統(tǒng)，在D階段可以將設(shè)計任務(wù)向下分解到子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)分別按照ICDOV進行設(shè)計，完成設(shè)計后再進行集成，并對需求進行反復(fù)迭代，完成整體的優(yōu)化和驗證，如圖1所示。

圖1 DFSS設(shè)計技術(shù)路徑圖

1.1 識別階段

識別階段首先是建立多功能團隊，并對顧客進行識別，確定產(chǎn)品要為哪些顧客服務(wù)。其次是對顧客需求的管理，既不能只考慮自身的方便，隨便拒絕顧客的要求，又不能對顧客的要求盲目屈從。第三是確定設(shè)計的評價技術(shù)指標(biāo)，從識別階段開始，產(chǎn)品的控制權(quán)就由顧客轉(zhuǎn)移到了設(shè)計者手中，因此如何提出合適的產(chǎn)品評價指標(biāo)以滿足顧客需求，并將這些指標(biāo)傳遞給流程下面的節(jié)點，對于整個設(shè)計環(huán)節(jié)是最為重要的。最后就是建立設(shè)計質(zhì)量評價表，并確定項目的技術(shù)目標(biāo)。

1.2 概念設(shè)計階段

概念階段主要是根據(jù)識別階段的成果－技術(shù)要求，通過概念碎片整理、TRIZ等方法建立起為實現(xiàn)產(chǎn)品所必須的關(guān)鍵技術(shù)路徑，然后通過PUGH矩陣進行概念選擇確定方案；通過功能分析明確產(chǎn)品的功能要求、FAST圖等工具識別功能；通過QFD識別重要的功能和功能的完備性；通過功能－結(jié)構(gòu)映射將功能和結(jié)構(gòu)建立對應(yīng)關(guān)系；然后利用公理設(shè)計的理念，并結(jié)合功能結(jié)構(gòu)映射表、功能FMECA等工具，確定重要的結(jié)構(gòu)并明確各子系統(tǒng)界面。

1.3 設(shè)計階段

設(shè)計階段主要是完成具體零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，并識別出重要的待優(yōu)化參數(shù)，以便在優(yōu)化階段進行優(yōu)化。通過設(shè)計準(zhǔn)則的建立將結(jié)構(gòu)同可生產(chǎn)性、可靠性聯(lián)系起來。將單純的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)變成基于可靠性和可生產(chǎn)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計。另外，在設(shè)計階段DFSS引入了計分卡和質(zhì)量能力預(yù)估、MSA等概念和方法，使得在設(shè)計的初期更多地規(guī)避加工、制造和生產(chǎn)流程過程中的風(fēng)險和不確定性。

1.4 優(yōu)化階段

優(yōu)化階段主要依靠DOE建立傳遞函數(shù)，通過優(yōu)化明確結(jié)構(gòu)參數(shù)的名義值。利用蒙特卡羅、穩(wěn)健設(shè)計等方法進行容差設(shè)計，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)的范圍和公差。另外，在優(yōu)化階段DFSS會利用前期形成的設(shè)計準(zhǔn)則開展健全性檢查。并根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果進行設(shè)計集成和迭代，形成產(chǎn)品樣機方案。

1.5 驗證階段

在驗證階段，主要的任務(wù)是設(shè)計驗證、工程移交和生產(chǎn)控制計劃。DFSS會根據(jù)設(shè)計質(zhì)量表的要求形成驗證計劃，開展試驗或仿真驗證。通過對驗證結(jié)果的分析，重新進行回溯迭代，開展硬件FMECA檢查，最終形成完整的設(shè)計輸出。在設(shè)計輸出后，會根據(jù)技術(shù)狀態(tài)，開展QFD明確關(guān)鍵的工藝參數(shù)對結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，開展基于工藝的FMECA分析，通過SPC形成生產(chǎn)環(huán)的控制計劃。

2 基于DFSS的試驗設(shè)備設(shè)計

某核心機試車臺是采用管路進氣的方式為發(fā)動機提供一定溫度、壓力的氣體，模擬飛機在不同狀態(tài)時發(fā)動機的工作環(huán)境。其進氣系統(tǒng)是發(fā)動機試驗設(shè)備的重要組成部分，直接影響發(fā)動機試驗環(huán)境的模擬情況，涉及技術(shù)和構(gòu)成比較復(fù)雜，覆蓋試驗設(shè)備設(shè)計的相關(guān)技術(shù)的大部分內(nèi)容。為了保證能夠模擬真實的進氣情況，提升進氣系統(tǒng)的流場品質(zhì)，本文按照ICDOV對進氣系統(tǒng)進行設(shè)計。

2.1 需求分析

在進氣系統(tǒng)的設(shè)計中，建立了13人的多功能團隊，團隊成員由技術(shù)總師、項目主管、用戶、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、氣動計算、控制系統(tǒng)設(shè)計等類型人員參加。通過頭腦風(fēng)暴和群策群力，依據(jù)上游顧客、下游顧客和約束條件共識別8種顧客，分別為試驗要求、試車臺、外協(xié)加工、調(diào)試、發(fā)動機試車、氣源供應(yīng)、項目管理和六性。并根據(jù)顧客的特點編輯了需求調(diào)查表，共獲得需求104項，圖2為試車準(zhǔn)備場景分析圖。

在完成需求識別后，應(yīng)用卡諾分析對需求進行了特性分類，其中分析出滿足進氣穩(wěn)態(tài)需求等必須特性18項；滿足過渡態(tài)需求等一元特性17項；占地面積合理等魅力特性2項，如圖3所示。

圖2 試車準(zhǔn)備場景需求分析結(jié)果

在完成需求識別和特性分類后，團隊成員針對需求進行資料整 理 分析、標(biāo)桿項 目 分析、量化分析等工作，最終確定溫度范圍、壓力范圍、流量范圍等34項技術(shù)要求。

圖3 卡諾分析結(jié)果

2.2 概念設(shè)計

在進氣系統(tǒng)的概念設(shè)計過程中，團隊首先根據(jù)技術(shù)要求開展頭腦風(fēng)暴、資料收集和討論確定75項技術(shù)，其中不同的概念碎片27項，關(guān)鍵技術(shù)5項。分別為流量測量方式、壓力快速條件方式、與試驗件結(jié)合部位密封方式、升溫方式和流量變化控制方式，并利用PUGH矩陣分析，確定初步方案。

在完成方案選擇后，團隊根據(jù)方案編制了功能流程圖和功能系統(tǒng)圖，共識別功能87項，合并整理后為17項主要功能，如圖4所示。然后應(yīng)用QFD對技術(shù)要求與功能要求的相關(guān)性進行了打分與討論。確定穩(wěn)定溫度、穩(wěn)定壓力等為重要功能要求。

圖4 功能流程圖

2.3 設(shè)計與優(yōu)化

由于進氣系統(tǒng)的規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在此層面開展的工作主要是將設(shè)計目標(biāo)和設(shè)計任務(wù)分配給各部件，各部件按照設(shè)計要求獨立進行DFSS的ICDOV5個步驟，并形成設(shè)計結(jié)果，本文由于篇幅的限制就以氣體摻混器為例介紹設(shè)計和優(yōu)化階段。

2.3.1 摻混器的設(shè)計

摻混器設(shè)計團隊根據(jù)設(shè)計目標(biāo)進行了需求識別和概念生成工作。在概念生成過程使用技術(shù)路線圖和TRIZ發(fā)明原理等工具共形成8個可行方案，在利用PUGH矩陣進行概念選擇時發(fā)現(xiàn)，有3個方案得分相近，分析認為可能是由于摻混器利用進氣系統(tǒng)的需求進行分析，而進氣系統(tǒng)的需求不是針對摻混器提出的，因此在某種情況下產(chǎn)生了誤差。團隊根據(jù)上述分析結(jié)論，確定使用層次分析法重新進行方案選擇，依據(jù)層次分析法的準(zhǔn)則層重新確定了出口溫差等6個準(zhǔn)則，最終確定波瓣結(jié)構(gòu)摻混器為最優(yōu)方案，如圖5所示。

圖5 摻混器層次分析法定義

2.3.2 摻混器的優(yōu)化設(shè)計

摻混器的優(yōu)化階段主要針對設(shè)計階段確定的波瓣高度、波瓣狹縫寬和中心錐出口半徑3個待優(yōu)化參數(shù)開展。依據(jù)DOE方法建立試驗計劃，確定優(yōu)化值的取值范圍。利用ANSYS進行氣動計算，建立傳遞函數(shù)，并利用優(yōu)化器對參數(shù)進行優(yōu)化，如圖6和圖7所示。

經(jīng)過優(yōu)化階段后全部的設(shè)計參數(shù)多已經(jīng)確定，此時利用設(shè)計階段生成可靠性和結(jié)構(gòu)設(shè)計檢查表對設(shè)計結(jié)果進行檢查，確定是否滿足設(shè)計要求，并生成相應(yīng)的樣機方案。

2.4 設(shè)計驗證

在摻混器的驗證階段，團隊根據(jù)總體要求的各個不同的狀態(tài)點，對摻混器的設(shè)計結(jié)果進行了仿真驗證，均能滿足目標(biāo)的要求。

3 結(jié) 論

圖7 傳遞函數(shù)及優(yōu)化結(jié)果

DFSS要求由用戶、工藝和設(shè)計人員等相關(guān)利益者組成的多功能團隊，全程參與上述全過程。因此,團隊成員對每個需求、甚至每個參數(shù)有了清晰的認識和理解，可以在最大程度上形成團隊合力，既提高了效率，又降低了風(fēng)險。同時該技術(shù)路徑通過QFD進行設(shè)計信息逐層分解，通過FMECA進行上行遞歸，整體上形成了一個滿足公理設(shè)計的“V”字模型。既能保證設(shè)計信息不丟失，可以顯性地回溯，又能最大程度上保證設(shè)計質(zhì)量滿足顧客的要求。因此，DFSS完全能夠滿足航空發(fā)動機試驗設(shè)備的設(shè)計要求。