面向全生命周期的航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法研究

■ 寧懷松 隋巖峰 王艷麗 劉海年 談夢(mèng)妮/中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中引入面向產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)（Design For X，DFX）的理念，旨在改變“串行”的研發(fā)模式，使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初期就充分考慮設(shè)計(jì)決策對(duì)后續(xù)過(guò)程（包括制造、裝配、試驗(yàn)、維修等）的影響，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段的工作質(zhì)量，減少甚至消除后續(xù)問(wèn)題的發(fā)生。

長(zhǎng)期以來(lái)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)工作是按順序逐次開(kāi)展（即“串行”研發(fā)）的，基本遵循“設(shè)計(jì)—制造—裝配—試驗(yàn)—設(shè)計(jì)修改”的大循環(huán)，采取的是一種分散的、職能部門(mén)負(fù)責(zé)制的模式。處于發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)“源頭”的設(shè)計(jì)部門(mén)主要考慮如何實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的顯性需求（如功能、性能等），對(duì)研發(fā)下游的制造、裝配、試驗(yàn)、維修等領(lǐng)域的可行性和成本考慮得很少；同時(shí)，由于“廠所分離”，設(shè)計(jì)人員和工藝人員之間缺乏有效的溝通機(jī)制，彼此之間的協(xié)調(diào)較為復(fù)雜、費(fèi)時(shí)。上述不足使得上、下游活動(dòng)之間存在不可調(diào)和的沖突，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的可制造性、可裝配性等較差時(shí)，就需要回到設(shè)計(jì)階段，重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中出現(xiàn)了大量的設(shè)計(jì)更改和返工，從而增加了研發(fā)成本和周期?；谙到y(tǒng)工程的研發(fā)體系建設(shè)實(shí)踐，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中采用面向產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)（Design For X，DFX）理念或?qū)⒔鉀Q這一問(wèn)題。

DFX的內(nèi)涵與優(yōu)點(diǎn)

DFX是“Design For X”的簡(jiǎn)稱(chēng)，指面向產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)，這里的“X”是指產(chǎn)品全生命周期中的任一環(huán)節(jié)，比如制造、裝配等。本文關(guān)注的DFX主要包括可制造性設(shè)計(jì)（Design For Manufacturing，DFM）、可裝配性設(shè)計(jì)（Design For Assembly，DFA）、可測(cè)試性設(shè)計(jì)（Design For Testing，DFT）和可維修性設(shè)計(jì)（Design For Service，DFS）。

按照DFX的要求，設(shè)計(jì)人員要將下游過(guò)程視為“客戶(hù)”，充分理解制造、裝配、試驗(yàn)、維修等方面的能力和水平，識(shí)別相關(guān)需求或約束，利用DFX設(shè)計(jì)指導(dǎo)方法，通過(guò)相關(guān)分析工具實(shí)現(xiàn)DFX的要求。

DFX設(shè)計(jì)方法是先進(jìn)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)。華為公司將產(chǎn)品滿(mǎn)足質(zhì)量屬性需求的能力稱(chēng)為DFX能力，包括可靠性、節(jié)能減排、可服務(wù)性、可安裝性、可制造性、維修性、可采購(gòu)性、可供應(yīng)性、測(cè)試性、成本、性能、安全性等，充分體現(xiàn)了華為對(duì)DFX的重視。

DFX相較于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)：確保在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段更加完整地捕獲產(chǎn)品研發(fā)全生命周期的相關(guān)需求，并統(tǒng)籌考慮、全局優(yōu)化；打破不同研發(fā)領(lǐng)域（設(shè)計(jì)、制造、裝配、試驗(yàn)、維修等）之間的“墻”，保障高效溝通；盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案在不同研發(fā)領(lǐng)域可能存在的問(wèn)題并提前解決，降低問(wèn)題解決成本；提高研發(fā)過(guò)程的靈敏性，縮短準(zhǔn)備時(shí)間；增強(qiáng)設(shè)計(jì)人員的成本意識(shí)，在設(shè)計(jì)之初就為成本控制打好基礎(chǔ)；減少設(shè)計(jì)更改和返工，從而縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高研發(fā)質(zhì)量。

DFX與系統(tǒng)工程的關(guān)系

如前所述，DFX中的“X”指產(chǎn)品全生命周期中的任一環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，“X”表示相應(yīng)環(huán)節(jié)的需求，而DFX成功的關(guān)鍵則是完整捕獲并高質(zhì)量地實(shí)現(xiàn)“X”所代表的環(huán)節(jié)的需求。因此，成立跨部門(mén)、多學(xué)科的集成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)（Integrated Product Team，IPT）來(lái)確保各環(huán)節(jié)需求的捕獲和實(shí)現(xiàn)是開(kāi)展DFX的基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)包括設(shè)計(jì)、制造、裝配、試驗(yàn)、維修等各方面的人員，負(fù)責(zé)整個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作。同時(shí)，由上述描述可以看出，DFX與系統(tǒng)工程的理念也具有諸多契合之處。

系統(tǒng)工程有不同的定義方式。按照《INCOSE系統(tǒng)工程手冊(cè)》，系統(tǒng)工程是一種使系統(tǒng)能成功實(shí)現(xiàn)的跨學(xué)科的方法和手段，是一種自上而下的綜合、開(kāi)發(fā)和運(yùn)行一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的迭代過(guò)程，是一門(mén)專(zhuān)注于整體（系統(tǒng)）設(shè)計(jì)和應(yīng)用的學(xué)科。系統(tǒng)工程專(zhuān)注于：在開(kāi)發(fā)周期的早期階段定義客戶(hù)需要與所要求的功能性，將需求文件化，然后再進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合和系統(tǒng)確認(rèn)；把所有學(xué)科和專(zhuān)業(yè)群體綜合為一種團(tuán)隊(duì)的努力，形成從概念到生產(chǎn)再到運(yùn)行的結(jié)構(gòu)化開(kāi)發(fā)流程；系統(tǒng)工程以提供滿(mǎn)足用戶(hù)需要的高質(zhì)量產(chǎn)品為目的，同時(shí)考慮所有客戶(hù)的業(yè)務(wù)和技術(shù)需求；考慮完整性問(wèn)題，即運(yùn)行、成本、進(jìn)度、性能、培訓(xùn)、支持、試驗(yàn)、制造和退出等各個(gè)方面。因此，系統(tǒng)工程是各學(xué)科之間研究方法的綜合，是為了合理地進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和運(yùn)行而采用的思想、步驟、組織和方法等的總稱(chēng)。

在基于系統(tǒng)工程的研發(fā)體系建設(shè)中，各方已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到系統(tǒng)工程對(duì)需求和IPT的關(guān)注，并按照系統(tǒng)工程的思想開(kāi)展了需求管理、研發(fā)流程建設(shè)、技術(shù)評(píng)審、仿真、IPT建設(shè)等工作。這些工作的開(kāi)展，足以實(shí)現(xiàn)DFX的工作要求，而中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司更是直接將DFX融入了系統(tǒng)工程。在《中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司系統(tǒng)工程手冊(cè)》中介紹需求分析的注意事項(xiàng)和經(jīng)驗(yàn)時(shí)指出，鑒于系統(tǒng)的復(fù)雜性和需求的重要性，其需求涉及到設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，包括各專(zhuān)業(yè)工程領(lǐng)域，如可制造性、維修性、環(huán)境要求等，應(yīng)該成立需求分析與定義聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，將所有系統(tǒng)需求涉及的專(zhuān)業(yè)一起聯(lián)合工作，確保形成的需求的正確性和完整性。

由此可見(jiàn)，DFX和系統(tǒng)工程關(guān)注的內(nèi)容是一致的，通過(guò)開(kāi)展基于系統(tǒng)工程的研發(fā)體系建設(shè)，可有效支撐DFX相關(guān)工作的實(shí)現(xiàn)。

圖1 DFX在研發(fā)過(guò)程中的體現(xiàn)

圖2 DFX和其他工作之間的關(guān)系

DFX的實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)對(duì)DFX和系統(tǒng)工程關(guān)系的分析，按照系統(tǒng)工程的方法可以實(shí)現(xiàn)DFX相關(guān)工作，即通過(guò)捕獲“X”方面的需求，并予以高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)，從而滿(mǎn)足DFX相關(guān)的要求。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中，DFX工作始于可行性分析，結(jié)束于生產(chǎn)裝配之前（如圖1所示），主要工作在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中完成，并在后續(xù)設(shè)計(jì)工作中不斷補(bǔ)充。在制造、裝配、試驗(yàn)、維修等過(guò)程中，對(duì)DFX設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，并將存在的問(wèn)題或改進(jìn)建議反饋給設(shè)計(jì)，積累形成經(jīng)驗(yàn)，完善相關(guān)的DFX要求。

DFX和其他工作的關(guān)系如圖2所示。DFX的需求體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)各層級(jí)產(chǎn)品的通用需求文檔（即通用需求庫(kù)）中，也可以體現(xiàn)在包含相關(guān)內(nèi)容的規(guī)范、指導(dǎo)書(shū)或設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（如各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則）等資料中；DFX的要求是要融入研發(fā)活動(dòng)的，在研發(fā)活動(dòng)中構(gòu)筑DFX的基因；DFX的開(kāi)展，需要規(guī)范類(lèi)要素（指規(guī)范、指導(dǎo)書(shū)、示范圖、檢查單等）和產(chǎn)品重用庫(kù)（指已有的、可重用的產(chǎn)品）的支撐，以更加快捷地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)，相關(guān)設(shè)計(jì)成果也應(yīng)積累到規(guī)范類(lèi)要素和產(chǎn)品重用庫(kù)中；DFX的具體實(shí)施需要IPT、研發(fā)流程、技術(shù)評(píng)審和仿真的支撐，IPT團(tuán)隊(duì)使用研發(fā)流程實(shí)現(xiàn)DFX，使用技術(shù)評(píng)審和仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

DFX需求的捕獲與分析

DFX的需求是和發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)相關(guān)的其他需求共同捕獲與分析的。為了更好地捕獲DFX需求，可通過(guò)對(duì)相關(guān)國(guó)標(biāo)、國(guó)軍標(biāo)、航標(biāo)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的解讀，融入型號(hào)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，充分征求制造、裝配、試驗(yàn)、維修等領(lǐng)域人員的意見(jiàn)，將DFX方面的詳細(xì)需求體現(xiàn)到發(fā)動(dòng)機(jī)各層級(jí)研發(fā)對(duì)象的通用需求文檔中。同時(shí)，對(duì)于不編制通用需求文檔的研發(fā)對(duì)象，要在設(shè)計(jì)規(guī)范、指導(dǎo)書(shū)等指導(dǎo)性材料中明確開(kāi)展DFX需求捕獲的方法或注意事項(xiàng)。通過(guò)上述文件，支撐設(shè)計(jì)盡可能充分、完整地考慮DFX需求。

圖3 制造仿真示意圖

DFX的需求分析工作和常規(guī)的需求分析工作相同，由于不同的DFX之間可能會(huì)有沖突（如可裝配性要求零件數(shù)量盡可能少，但同時(shí)可能導(dǎo)致可制造性下降），因此需要注意協(xié)調(diào)需求之間的沖突，按照全局最優(yōu)的原則，完成DFX的需求分析。

DFX設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展

IPT負(fù)責(zé)具體實(shí)施

組建由設(shè)計(jì)、制造、裝配、試驗(yàn)、維修等領(lǐng)域的人員構(gòu)成的IPT，負(fù)責(zé)DFX需求的捕獲、分析和設(shè)計(jì)活動(dòng)的具體實(shí)施。IPT應(yīng)是“重量級(jí)”團(tuán)隊(duì)，即團(tuán)隊(duì)成員應(yīng)能充分代表其所在的領(lǐng)域，應(yīng)有所在領(lǐng)域的技術(shù)決策能力和權(quán)力，并貢獻(xiàn)自己及其所屬領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)智慧，所有成員共同對(duì)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)。

表1 部件研發(fā)流程中DFX活動(dòng)示例

按研發(fā)流程開(kāi)展設(shè)計(jì)活動(dòng)

DFX是融入研發(fā)活動(dòng)中的，因此按照研發(fā)流程開(kāi)展工作即可實(shí)現(xiàn)DFX。表1以發(fā)動(dòng)機(jī)部件研發(fā)為例，說(shuō)明了研發(fā)流程中的主要DFX活動(dòng)。

使用規(guī)范類(lèi)要素和產(chǎn)品重用庫(kù)支撐設(shè)計(jì)

開(kāi)展DFX設(shè)計(jì)活動(dòng)時(shí)，為獲得更好的結(jié)果，必須充分借鑒已有的經(jīng)驗(yàn)，如設(shè)計(jì)原則、方法等，具體體現(xiàn)在對(duì)規(guī)范類(lèi)要素和產(chǎn)品重用庫(kù)的使用上。規(guī)范類(lèi)要素中包含大量研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品重用庫(kù)中則包含有已完成研發(fā)的產(chǎn)品，在二者的支撐下，DFX工作會(huì)更加高效。由于DFX和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)，在相關(guān)規(guī)范類(lèi)要素建設(shè)中，要充分借鑒行業(yè)內(nèi)外總結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等。產(chǎn)品重用庫(kù)方面，產(chǎn)品全生命周期管理（PDM）系統(tǒng)中包含了所有產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，可供參考。

圖4 裝配仿真示意圖

DFX的設(shè)計(jì)驗(yàn)證

仿真

在產(chǎn)品研發(fā)中，可充分使用仿真手段，對(duì)DFX方面的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，相關(guān)仿真手段有制造仿真（如圖3所示）、裝配仿真（如圖4所示）、試驗(yàn)仿真和維修仿真等。為支撐上述仿真工作的開(kāi)展，需要構(gòu)建虛擬樣機(jī)。以虛擬樣機(jī)為研究對(duì)象，代替物理樣機(jī)，可開(kāi)展相關(guān)的驗(yàn)證工作。

技術(shù)評(píng)審

技術(shù)評(píng)審是對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)的有效手段，可通過(guò)技術(shù)評(píng)審評(píng)估DFX工作開(kāi)展的情況。作為技術(shù)評(píng)審的重要工具，檢查單中應(yīng)包含DFX相關(guān)的問(wèn)題項(xiàng)。

以可制造性為例，可從以下方面在檢查單中設(shè)置問(wèn)題項(xiàng)：根據(jù)生產(chǎn)批量（單件、小批、大批等）、當(dāng)前制造能力以及工藝技術(shù)發(fā)展的預(yù)期，選擇合適的制造方式；零件的造型應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，應(yīng)盡量減少零件的加工表面數(shù)量和加工面積，增加相同形狀和相同元素（如直徑、圓角半徑、配合、螺紋、鍵、齒輪模數(shù)等）的數(shù)量；毛坯的形狀和尺寸應(yīng)盡量接近零件本身的形狀和尺寸，力求實(shí)現(xiàn)少量或無(wú)切削加工；零件的結(jié)構(gòu)特征，如中心孔、圓弧、圓角、倒角、彎曲半徑、下陷、螺距、齒距、緊固件孔徑、切削半徑等應(yīng)盡量標(biāo)準(zhǔn)化、典型化、規(guī)范化、統(tǒng)一化；零件的結(jié)構(gòu)工藝應(yīng)滿(mǎn)足成形方式（鑄造、鍛造、鈑金、焊接、機(jī)加等）的要求；盡量使用標(biāo)準(zhǔn)的工具（如切削工具）、工裝、夾具、量具、運(yùn)輸裝置等使能產(chǎn)品（盡量減少專(zhuān)用器具）；公差、表面粗糙度等要求應(yīng)能通過(guò)多種制造工藝實(shí)現(xiàn)，且嚴(yán)格程度不超過(guò)功能要求；圖樣上的尺寸應(yīng)適當(dāng)、完整；所用材料的種類(lèi)應(yīng)盡可能少，且有備選材料；零件上所有的特征均是必要的（如不能有多余的孔）；采用的新工藝、新材料、新設(shè)備等應(yīng)經(jīng)過(guò)充分的驗(yàn)證；應(yīng)盡量將差別較小的零件改為同一個(gè)零件（減少工藝的工作量）；應(yīng)便于檢驗(yàn)和測(cè)量，檢驗(yàn)所需方法和設(shè)備應(yīng)成熟。

DFX分析工具

使用DFX分析工具可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)DFX進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。例如，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和加工工藝要求，基于DFMPro（一種集成于CAD系統(tǒng)的面向可制造性設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助工具）的設(shè)計(jì)工藝性檢查軟件，提出定制開(kāi)發(fā)規(guī)則（包括機(jī)加、裝配、管路、鈑金、公差等多個(gè)工藝方向），并將DFMPro與Teamcenter（一種產(chǎn)品全生命周期管理的軟件）平臺(tái)進(jìn)行集成，可以實(shí)現(xiàn)基于規(guī)則驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)工藝性審查，在相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的配合下，能夠輔助設(shè)計(jì)人員在航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研制早期階段盡可能多地發(fā)現(xiàn)和評(píng)估可制造性問(wèn)題，達(dá)到減少設(shè)計(jì)反復(fù)、降低后期的加工制造成本和縮短產(chǎn)品研制周期的效果。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究可看出，按照系統(tǒng)工程理念開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)可以很好地實(shí)現(xiàn)DFX要求。為更好地發(fā)揮DFX的效果，建議后續(xù)重點(diǎn)開(kāi)展：收集制造、裝配、試驗(yàn)、維修等領(lǐng)域的意見(jiàn)，形成詳細(xì)、完整的DFX需求，并落實(shí)到通用需求文檔等文件中；在技術(shù)流程中，將DFX相關(guān)的設(shè)計(jì)活動(dòng)補(bǔ)充完整，并根據(jù)型號(hào)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，及時(shí)完善規(guī)范、指導(dǎo)書(shū)等要素，補(bǔ)充產(chǎn)品重用庫(kù)；進(jìn)一步提升制造、裝配、試驗(yàn)、維修等方面的仿真能力，在技術(shù)評(píng)審檢查單中進(jìn)一步豐富DFX相關(guān)的問(wèn)題，并推動(dòng)DFX分析工具建設(shè)。