航空發(fā)動(dòng)機(jī)低溫殼體設(shè)計(jì)需求分析與指標(biāo)確定策略

趙 雷

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)低溫殼體設(shè)計(jì)需求分析與指標(biāo)確定策略

趙 雷

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫殼體在使用時(shí)需要滿足相應(yīng)的強(qiáng)度、剛度指標(biāo)及質(zhì)量要求。對發(fā)動(dòng)機(jī)低溫殼體在不同應(yīng)用環(huán)境下進(jìn)行定量需求分析以明確設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過Q FD質(zhì)量功能展開工具逐層分解客戶需求、定位功能和物理參數(shù)，分析功能的重要性。通過模糊數(shù)學(xué)中的最大隸屬度模糊評價(jià)原理，分析多種方案的適應(yīng)性，得出定量分析結(jié)果，避免以往依靠經(jīng)驗(yàn)和類比的不確定性。對優(yōu)選的概念方案進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，識(shí)別重點(diǎn)失效模式并采取預(yù)防措施，獲得設(shè)計(jì)關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)。實(shí)例分析結(jié)果表明：采取多種數(shù)理分析方法和實(shí)用工具對需求分析、方案決策、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估3個(gè)方面進(jìn)行的方法研究和設(shè)計(jì)實(shí)踐，有利于提高低溫殼體的方案設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性，具有一定的參考價(jià)值。

殼體；結(jié)構(gòu)；概念設(shè)計(jì)；Q FD；模糊評價(jià)；風(fēng)險(xiǎn)分析；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

殼體結(jié)構(gòu)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的典型構(gòu)件，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)各大部件結(jié)構(gòu)中均有大量應(yīng)用。低溫段殼體位于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口處，隨著涵道比越來越大，其殼體直徑也越來越大，質(zhì)量也隨之顯著增加，低溫殼體既是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)大涵道比的通道，又是葉片的包容主體結(jié)構(gòu)。從用戶的角度來看，既要求低溫殼體厚度小來減質(zhì)，又要求有充足的強(qiáng)度、剛性等可靠性指標(biāo)滿足使用要求。以往的設(shè)計(jì)往往多依靠經(jīng)驗(yàn)，對使用需求缺少全面定量的分析，常常在加工和使用過程中產(chǎn)生問題，產(chǎn)生很高的維護(hù)成本。在殼體的概念設(shè)計(jì)階段，有必要就殼體的用戶需求進(jìn)行詳盡的分析，轉(zhuǎn)化為技術(shù)要求，進(jìn)而在結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料選擇等方面做出適當(dāng)?shù)臎Q策。用戶需求往往是定性的，很多要求甚至是模糊的，有必要轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)中可以量化的指標(biāo)，參與進(jìn)行方案的選擇和優(yōu)化，很多行業(yè)把模糊評價(jià)原理與工程實(shí)踐相結(jié)合，應(yīng)用質(zhì)量功能展開（Quality Function Deployment,QFD）工具，在方案優(yōu)選[1-14]和用戶需求分析[15]方面做出了一定的探索，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面也有一些關(guān)注機(jī)匣設(shè)計(jì)方面的研究[13-14]，但都是對后期詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的強(qiáng)度分析，缺少在機(jī)匣設(shè)計(jì)初期對結(jié)構(gòu)方案概念的設(shè)計(jì)方法研究。

本文運(yùn)用QFD質(zhì)量工具逐層分解用戶對殼體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用需求、分析需求的重要性，識(shí)別可實(shí)現(xiàn)需求的重要結(jié)構(gòu)功能參數(shù)。在選材方面，運(yùn)用模糊評價(jià)原理對鈦合金、鋁合金和復(fù)合材料3種不同選材的應(yīng)用方案進(jìn)行評價(jià)，最后對優(yōu)選方案進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，為工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。這種層次識(shí)別和定量評價(jià)方法可在殼體的概念設(shè)計(jì)階段提煉此零件族的相似構(gòu)造特征和分析方法，具有一定的普遍意義。

1 基于QFD的需求分析

QFD是1種把顧客需求轉(zhuǎn)化為質(zhì)量要求的工具,由此決定產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量,并系統(tǒng)地配置到各個(gè)環(huán)節(jié)及過程要素的多層次演繹方法。作為國際著名的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論之一,得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛認(rèn)可,并在一些著名的國際大企業(yè)取得成功的實(shí)施[1]。

QFD實(shí)施過程從收集客戶需求開始，其需求往往是定性的、敘述性的，甚至是重復(fù)性的，因此需要?dú)w納分類，然后將客戶需求轉(zhuǎn)化為技術(shù)需求，即用定量的技術(shù)性描述映射客戶需求，同時(shí)反映對客戶需求的符合度，而技術(shù)需求與功能需求的轉(zhuǎn)化，即為了實(shí)現(xiàn)特定技術(shù)指標(biāo)需要產(chǎn)品提供的功能，功能需求的再展開就可以反應(yīng)功能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，即進(jìn)入具體的工程設(shè)計(jì)。在概念設(shè)計(jì)階段，主要目標(biāo)是需求分析和方案的制訂，因此QFD的展開到功能層次已經(jīng)是足夠的。遵循需求-技術(shù)描述-功能描述的路徑，完成2層映射關(guān)系分析，即可初步實(shí)現(xiàn)概念階段的需求分析，以工程技術(shù)語言解析顧客的需求內(nèi)涵。QFD展開的每個(gè)階段都有著共同的轉(zhuǎn)化邏輯，也就是要分析出映射元素間的關(guān)聯(lián)性、重要性和可行性。

對于低溫端的殼體結(jié)構(gòu)，經(jīng)需求收集，主要有以下幾個(gè)方面，按其重要度列于表1，按1～5數(shù)字越大重要度越來越高。

將原始客戶需求按QFD原理展開為技術(shù)需求見表2，從表中可知，客戶需求與技術(shù)需求存在一一對應(yīng)的相關(guān)矩陣，與原始客戶需求重要度一起，合成了QFD相對重要度算法，可以將每條技術(shù)需求重要度進(jìn)行量化，同時(shí)還可以從需求滿足度指標(biāo)判斷是否得到足夠展開的技術(shù)需求以滿足原始需求。

表1 需求收集

表2 QFD I技術(shù)需求展開（部分）

表3 QFD II功能要求展開（部分）

同理，對技術(shù)需求進(jìn)行下一個(gè)層次的展開，即功能展開見表3，獲得功能要求和技術(shù)要求的關(guān)系矩陣，可得展開的功能要求的重要性和充分性。

將功能要求按卡諾分類見表4。按提升產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計(jì)理論中的卡諾模型，可將用戶需求分為3類，第1類是基本特性：當(dāng)特性不滿足時(shí)，顧客很不滿意，而當(dāng)特性滿足時(shí)認(rèn)為是應(yīng)該的；第2類是一元特性：當(dāng)特性滿足則顧客滿意，當(dāng)特性不滿足則顧客不滿意，為一元線性關(guān)系；第3類是魅力特性：當(dāng)特性不滿足時(shí)則顧客無所謂，當(dāng)特性滿足時(shí)，顧客感到超出期望。按此分析，基本特性包含：包容、承載能力、可檢性、易磨性，這4個(gè)功能是必須滿足的特性；一元特性包含：損傷容限、材料工藝性是受客觀條件限制的需優(yōu)先考慮的特性；魅力特性包含：材料成本和輕質(zhì)，將達(dá)到客戶期望的最高要求。

表4 功能要求的卡諾分類

經(jīng)過功能需求分析清楚后即可進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，往往有多套結(jié)構(gòu)方案可實(shí)現(xiàn)功能需求，為提高方案優(yōu)選的可靠性，對可用模糊數(shù)學(xué)原理進(jìn)行定量分析。

2 基于模糊評價(jià)的方案設(shè)計(jì)優(yōu)選

方案設(shè)計(jì)中材料的選擇是很重要的1項(xiàng)內(nèi)容。低溫端殼體材料一般為鈦合金、鋁合金和復(fù)合材料。哪種材料能最大程度的滿足應(yīng)用需求，以往憑經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法并不能提供更明確的決策信息。

模糊數(shù)學(xué)自誕生以來已廣泛用于自動(dòng)控制、天氣預(yù)報(bào)、商品評價(jià)等多種領(lǐng)域中，在工程應(yīng)用中并不多見[2]。模糊數(shù)學(xué)中隸屬度的概念比較適合材料的強(qiáng)度“較高、中等、較低”等模糊指標(biāo)的描述分析，并通過模糊綜合評價(jià)的最大隸屬度原則對材料眾多指標(biāo)進(jìn)行綜合評判。

常用材料為鈦合金、鋁合金和復(fù)合材料，取備擇集合為：

{鈦合金，鋁合金，復(fù)合材料}

取因素集合為：

U={強(qiáng)度高，加工性好，包容性高，質(zhì)量輕，成本低}

表5 評判結(jié)果

評判集合為：

V={好，較好，適中，較差，差}

由專家對備擇集的3個(gè)因素的評價(jià)結(jié)果見表5。

考慮低溫端殼體的工作環(huán)境、承載需求和使用要求，根據(jù)前面的卡諾需求分析，確定權(quán)重集為

X={0.40，0.15，0.30，0.10，0.05}

依據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，將權(quán)重集和評判結(jié)果表中數(shù)據(jù)代入綜合評判集計(jì)算公式，得到3種備擇材料的綜合評判集為

經(jīng)歸一化，得

Y1={0.296,0.296,0.222,0.074,0.111}；

Y2={0.176,0.235,0.176,0.235,0.176}；

Y3={0.188,0.125,0.25,0.25,0.188}。

根據(jù)當(dāng)前的權(quán)重集，評判結(jié)果集表明：鈦合金材料擁有最高的“好”和“較好”（均為0.296），是首選最優(yōu)材料，其次是復(fù)合材料的方案（“好”的指標(biāo)為0.188）。根據(jù)使用條件的變化，可相應(yīng)改變權(quán)重集的指標(biāo)分配，重新計(jì)算得到新的綜合評判集來確定最優(yōu)材料。

3 風(fēng)險(xiǎn)分析

在概念設(shè)計(jì)階段應(yīng)進(jìn)行初步的功能FMECA分析以建立初始可靠性指標(biāo)，并將風(fēng)險(xiǎn)向下分解，為后期詳細(xì)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。功能的潛在失效模式、影響嚴(yán)酷度、潛在原因及風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN值分別見表6、7。由表中可見RPN值較高的有殼體變形和超重問題，是應(yīng)該重點(diǎn)防范及早采取措施的項(xiàng)目。

功能的重要度、功能失效的風(fēng)險(xiǎn)度關(guān)系如圖1所示。從圖中可見，殼體的強(qiáng)度和剛度指標(biāo)位于A區(qū)，是綜合重要性和關(guān)鍵性最高的指標(biāo)；質(zhì)量限制位于D區(qū)，是關(guān)鍵性高的指標(biāo)；控制材料特性保證殼體剛度是重要性指標(biāo)。包容性雖然故障嚴(yán)重度高，但綜合出現(xiàn)概率指標(biāo)位于C區(qū)或D區(qū)。

表6 功能FMECA分析1（部分）

4 結(jié)論

通過QFD質(zhì)量工具對客戶需求的分析和逐層分解，可在設(shè)計(jì)的概念階段完整地把握設(shè)計(jì)目的，梳理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的步驟和措施。設(shè)計(jì)方案的決策采用模糊數(shù)學(xué)的綜合評判集給出定量的結(jié)果，是1種不同于以往“較好”、“還行”等定性表達(dá)的方法，這種方法適合多種因素影響下的綜合指標(biāo)評判，通過對因素的判斷矩陣和權(quán)重因子，經(jīng)模糊數(shù)學(xué)運(yùn)算法則得到評判結(jié)果，在不同時(shí)期不同階段的決策可依據(jù)不同權(quán)重因子集的變化得到相應(yīng)的結(jié)果集，尤其適用于初始概念階段的迭代過程。風(fēng)險(xiǎn)分析介入概念設(shè)計(jì)的時(shí)刻越早越可以把握潛在的失效并盡早確立應(yīng)對方案。通過FMECA分析了功能的潛在失效模式及風(fēng)險(xiǎn)度，可以確立各功能指標(biāo)的關(guān)鍵重要性分布，從中可以抓住關(guān)鍵因素，有針對性的將風(fēng)險(xiǎn)向后期具體設(shè)計(jì)階段分解，并合理采取預(yù)防和補(bǔ)救措施。

表7 功能FMECA分析2（部分）

通過低溫端殼體的概念設(shè)計(jì)實(shí)例，用QFD質(zhì)量工具建立了殼體的客戶需求和技術(shù)、功能需求的關(guān)系，量化分析了應(yīng)用的效果。在對殼體的材料選擇方案中建立了基于模糊數(shù)學(xué)的優(yōu)選策略，最后通過風(fēng)險(xiǎn)分析，由重要度和風(fēng)險(xiǎn)度指標(biāo)識(shí)別重要失效模式，為殼體進(jìn)入工程設(shè)計(jì)提供需要重點(diǎn)關(guān)注的設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過對需求分析、方案決策、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估3個(gè)方面進(jìn)行的方法研究和設(shè)計(jì)實(shí)踐，對其他殼體如高溫殼體等具有更復(fù)雜需求指標(biāo)的殼體設(shè)計(jì)也具有一定的參考價(jià)值。

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Design Requirements Analysis and Indicators Determination Strategy of Aeroengine Cryogenic Shell

ZHAO Lei
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015,China）

The cryogenic shell of an aeroengine must meet the necessary strength,stiffness and the weight.Quantitative requirement analysis of aeroengine cryogenic shell was perfromed to clear the design goals in the different engine application environment.Customer requirements were decomposed by the six-sigma design concept in the QFD quality functions tools,functions and physical parameters were positioned,and the importance of the function was analyzed.Through the fuzzy evaluation principle of the maximum membership degree in fuzzy mathematics,the adaptability of the schemes was analyzed,and the quantitative analysis results were obtained,which avoided the uncertainty of experience and analogy.Finally,the risk analysis of the optimal conceptual scheme was carried out to identify the key failure modes and take preventive measures to obtain the technical indicators of design concern.The results of case analysis show that it is helpful to improve the scientific design of the scheme of low temperature shell using a variety of mathematical analysis methods and practical tools to carry out the method research and design practice of requirement analysis,concept decision and risk estimation.

shell;structure;project design;QFD;fuzzy evaluation;risk analysis;aeroengine

V 231.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.05.016

2017-03-13 基金項(xiàng)目：航空動(dòng)力基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

趙雷（1974），男，高級工程師，從事壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；Email:niray@sina.com。

趙雷.航空發(fā)動(dòng)機(jī)低溫殼體設(shè)計(jì)需求分析與指標(biāo)確定策略[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，43（5）：91-96.ZHAO Lei.Design requirements analysis and indicators determination strategy of aeroengine cryogenic shell[J].Aeroengine，2017，43（5）：91-96.

（編輯：張寶玲）