基于QFD的新型飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究

許健　李丹圓　張帆　顧春輝　李曉樂

摘 要：文章針對某新型飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計的迫切需求和產(chǎn)品研制中存在的問題，對現(xiàn)代設(shè)計方法中的質(zhì)量功能展開（QFD）[1，2]和問題解決理論（TRIZ）進(jìn)行了集成研究，以質(zhì)量屋的形式，建立了從客戶需求到結(jié)構(gòu)方案的關(guān)系矩陣。通過FMECA分析，得出故障模式權(quán)重系數(shù)并添加到QFD模型中，進(jìn)一步修正計算結(jié)果。運用價值工程的方法，對比分析不同方案的成本。通過上述分析，最終確定了新型飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量功能展開；失效模式影響；危害性分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

航天產(chǎn)品的設(shè)計研制過程是一項技術(shù)難度高、涉及專業(yè)領(lǐng)域廣的系統(tǒng)工程。隨著我國國防現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展和國家綜合實力的部段提升，航天型號的設(shè)計開發(fā)、研制生產(chǎn)任務(wù)量急劇增加，客戶對產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性、安全性等方面也提出了更高的要求。僅靠擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，利用優(yōu)化技術(shù)完善現(xiàn)有產(chǎn)品已不能保證獲得競爭優(yōu)勢。由粗放式管理轉(zhuǎn)變?yōu)榫婊芾韀3]，充分利用有限的資源，快速實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計，成為科研工作的關(guān)鍵。

1 新型飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計客戶需求分析

新型航天飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案設(shè)計處于系統(tǒng)工程中的基礎(chǔ)地位，其與各專業(yè)間的數(shù)據(jù)引用、協(xié)調(diào)等問題一直貫穿于產(chǎn)品設(shè)計的全過程，結(jié)構(gòu)設(shè)計水平直接影響整個飛行器的性能及質(zhì)量，最終影響任務(wù)的完成。

通過調(diào)研與頭腦風(fēng)暴等方法，對客戶需求開展了深入的研究，采用親和圖法（KJ法）對其進(jìn)行歸納整理如圖1所示。隨后通過建立卡諾模型，將客戶對于新型飛行器的需求調(diào)研結(jié)果劃分為三個層次：基本型需求、期望型需求和興奮型需求，如圖2所示。

2 基于質(zhì)量功能展開（QFD）的新型飛行器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

根據(jù)上述客戶對飛行器結(jié)構(gòu)需求的分析，利用質(zhì)量功能展開方法，規(guī)劃了客戶需求-設(shè)計規(guī)劃-限制條件-關(guān)鍵技術(shù)-攻關(guān)項目-結(jié)構(gòu)方案的攻關(guān)途徑，通過建立五級質(zhì)量屋，得到滿足客戶需求的新型飛行器結(jié)構(gòu)方案，其總體規(guī)劃如圖3所示。

3 基于FMECA的QFD模型修正

傳統(tǒng)的QFD輸入對于客戶需求依賴較大，而根據(jù)航天型號產(chǎn)品研制經(jīng)驗，客戶的需求往往是動態(tài)的、變化的，在用QFD模型進(jìn)行分析時，其得出的需重點攻關(guān)項目的權(quán)重存在失真的風(fēng)險。其次，在質(zhì)量屋中，攻關(guān)項目的自相關(guān)矩陣以及客戶需求展開得到的關(guān)鍵技術(shù)與攻關(guān)項目之間的相關(guān)關(guān)系矩陣是用一些數(shù)字來表示的，這些數(shù)字有可能沒有正確的反應(yīng)他們之間的復(fù)雜關(guān)系。而FMECA技術(shù)則能夠幫助QFD克服這些局限性：（1）雖然客戶需求是不斷變化的，然而產(chǎn)品的失效模式往往變動較小。由FMECA分析可以得出產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)是由于哪些零部件所造成的，這樣即使客戶需求發(fā)生改變，可以使得相應(yīng)的技術(shù)特征不會產(chǎn)生大的變化，由此消除客戶需求改變造成的影響。（2）FMECA分析可以減少對質(zhì)量屋矩陣的依賴。傳統(tǒng)的QFD都是由相關(guān)專家對質(zhì)量屋矩陣給出打分即可得到輸出，而沒有考慮零部件的可靠性，將FMECA可靠性分析結(jié)果重新用到質(zhì)量屋中，可以修正QFD的輸出，得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

3.1 QFD與FMECA集成設(shè)計流程規(guī)劃

QFD 與FMECA集成模型的建立思路：以QFD方法為基礎(chǔ)，將FMECA分析計算得到的風(fēng)險優(yōu)先數(shù)RPN轉(zhuǎn)換為故障權(quán)重系數(shù)F，然后將F反饋到質(zhì)量屋中，形成兩者集成后的方案流程如圖4所示。

3.2 飛行器結(jié)構(gòu)故障模式權(quán)重系數(shù)分析

危害性分析（CA）的目的是：對產(chǎn)品每一個故障模式的嚴(yán)重程度及其發(fā)生的概率所產(chǎn)生的綜合影響進(jìn)行分類，以全面評價產(chǎn)品中所有可能出現(xiàn)的故障模式的影響。根據(jù)新型飛行器的特點，采用風(fēng)險優(yōu)先數(shù)（RPN）方法進(jìn)行危害性分析。該方法主要是對產(chǎn)品每個故障模式的RPN值進(jìn)行優(yōu)先排序，并采取相應(yīng)的措施，是RPN值達(dá)到可接受的最低水平。產(chǎn)品某個故障模式的RPN等于該故障模式的嚴(yán)酷度等級（ESR）和故障模式的發(fā)生概率等級（OPR）的乘積

RPN=ESR×OPR （1）

式中：RPN數(shù)越高，則其危害性越大。

下一步，對新型飛行器結(jié)構(gòu)進(jìn)行FMECA 分析，采用借鑒法、從產(chǎn)品整個流程分析其故障模式等方法，并根據(jù)功能可靠性方塊圖來討論分析新型飛行器結(jié)構(gòu)的故障模式，最后得出故障模式如下：結(jié)構(gòu)破壞、變形大、失穩(wěn)、疲勞斷裂、振幅大、漏油、卡滯、腐蝕和磨損。

利用上述方法對新型飛行器結(jié)構(gòu)故障模式重要展開分析，結(jié)果如表1所示。

3.3 基于FMECA的QFD分析模型

在上一節(jié)中已求出技術(shù)特征的故障模式權(quán)重系數(shù)，將此項系數(shù)加入第四級 QFD 的質(zhì)量屋中，形成基于FMECA的QFD綜合分析模型，如圖5所示。

從圖5可以看出經(jīng)整合后的質(zhì)量屋增加了故障模式權(quán)重系數(shù)和綜合權(quán)重系數(shù)兩項。由圖5可知，經(jīng) QFD 得到的結(jié)構(gòu)設(shè)計攻關(guān)項目重要度排序為：框=梁>飛行器控制系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)>飛行終止系統(tǒng)結(jié)構(gòu)=減速裝置結(jié)構(gòu)>飛行器壁板=著陸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)=減速裝置連接接頭=發(fā)動機(jī)油箱結(jié)構(gòu)=設(shè)備安裝支架>發(fā)動機(jī)吊艙。而基于 FMECA 修正過后的結(jié)構(gòu)設(shè)計攻關(guān)項目重要度排序為：飛行器控制系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)>著陸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)>減速裝置結(jié)構(gòu)>框=梁=飛行器壁板=減速裝置連接接頭=設(shè)備安裝支架=飛行終止系統(tǒng)結(jié)構(gòu)>發(fā)動機(jī)油箱結(jié)構(gòu)=發(fā)動機(jī)吊艙。經(jīng)對比可以看出，結(jié)構(gòu)設(shè)計攻關(guān)項目重要度的排序已發(fā)生明顯變化，重要度排序越靠前就越需要設(shè)計人員在設(shè)計過程中重點關(guān)注，充分考慮該結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，這樣最終產(chǎn)品才能具有較高質(zhì)量，才更符合客戶的需要。

4 新型飛行器結(jié)構(gòu)方案對比分析

基于五級QFD模型的結(jié)構(gòu)方案初步對比：

按照上述方法，逐級建立質(zhì)量屋，完成從客戶對飛行器結(jié)構(gòu)需求的分析到結(jié)構(gòu)設(shè)計需重點攻關(guān)項目的功能展開，并綜合考慮材料、模具、工藝、工時等[4]，得到了飛行器主結(jié)構(gòu)方案初步對比分析結(jié)果，如表3所示。

通過上述分析可以得出，相對于金屬結(jié)構(gòu)方案，復(fù)合材料方案在性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面都占據(jù)優(yōu)勢，因此確定其為新型飛行器的結(jié)構(gòu)方案。

5 結(jié)束語

文中運用QFD方法，通過客戶需求分析，全面綜合地分析客戶需求，并將其逐步轉(zhuǎn)換為設(shè)計要素，建立了結(jié)構(gòu)設(shè)計方案定量分析對比方法。通過引入FMECA分析得到的故障模式權(quán)重系數(shù)，對QFD模型進(jìn)行了修正，確保結(jié)構(gòu)方案具備較高可靠性，論證了新型飛行器結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)性。該方法建立了質(zhì)量方法驅(qū)動型號結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研制的新體系，初步構(gòu)建了適用于飛行器結(jié)構(gòu)特點的研制模式，可應(yīng)用于不同類型的航天產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計中。

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作者簡介：許?。?981-），男，高工，碩士，研究方向：飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計。