六西格瑪設計在航空發動機試驗設備設計中的應用

常鴻雯

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引 言

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

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

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

1 DFSS簡介

DFSS是一種以顧客需求為導向、面向質量和可靠性的通用設計方法。其能夠在確定的技術基礎上，最大程度地考慮需求、技術和研制過程的不確定影響因素, 提高設計結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計質量、強化研制流程、預估失效、降低設計風險。其技術路徑主要分為I（識別）、C（概念）、D（設計）、O（優化）、V（驗證）。針對復雜的系統，在D階段可以將設計任務向下分解到子系統，各子系統分別按照ICDOV進行設計，完成設計后再進行集成，并對需求進行反復迭代，完成整體的優化和驗證，如圖1所示。

圖1 DFSS設計技術路徑圖

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，確定產品要為哪些顧客服務。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。第三是確定設計的評價技術指標，從識別階段開始，產品的控制權就由顧客轉移到了設計者手中，因此如何提出合適的產品評價指標以滿足顧客需求，并將這些指標傳遞給流程下面的節點，對于整個設計環節是最為重要的。最后就是建立設計質量評價表，并確定項目的技術目標。

1.2 概念設計階段

概念階段主要是根據識別階段的成果－技術要求，通過概念碎片整理、TRIZ等方法建立起為實現產品所必須的關鍵技術路徑，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－結構映射將功能和結構建立對應關系；然后利用公理設計的理念，并結合功能結構映射表、功能FMECA等工具，確定重要的結構并明確各子系統界面。

1.3 設計階段

設計階段主要是完成具體零部件的結構設計工作，并識別出重要的待優化參數，以便在優化階段進行優化。通過設計準則的建立將結構同可生產性、可靠性聯系起來。將單純的產品結構設計轉變成基于可靠性和可生產性的結構設計。另外，在設計階段DFSS引入了計分卡和質量能力預估、MSA等概念和方法，使得在設計的初期更多地規避加工、制造和生產流程過程中的風險和不確定性。

1.4 優化階段

優化階段主要依靠DOE建立傳遞函數，通過優化明確結構參數的名義值。利用蒙特卡羅、穩健設計等方法進行容差設計，確定結構參數的范圍和公差。另外，在優化階段DFSS會利用前期形成的設計準則開展健全性檢查。并根據優化的結果進行設計集成和迭代，形成產品樣機方案。

1.5 驗證階段

在驗證階段，主要的任務是設計驗證、工程移交和生產控制計劃。DFSS會根據設計質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，最終形成完整的設計輸出。在設計輸出后，會根據技術狀態，開展QFD明確關鍵的工藝參數對結構參數的影響，開展基于工藝的FMECA分析，通過SPC形成生產環的控制計劃。

2 基于DFSS的試驗設備設計

某核心機試車臺是采用管路進氣的方式為發動機提供一定溫度、壓力的氣體，模擬飛機在不同狀態時發動機的工作環境。其進氣系統是發動機試驗設備的重要組成部分，直接影響發動機試驗環境的模擬情況，涉及技術和構成比較復雜，覆蓋試驗設備設計的相關技術的大部分內容。為了保證能夠模擬真實的進氣情況，提升進氣系統的流場品質，本文按照ICDOV對進氣系統進行設計。

2.1 需求分析

在進氣系統的設計中，建立了13人的多功能團隊，團隊成員由技術總師、項目主管、用戶、工藝、結構設計、氣動計算、控制系統設計等類型人員參加。通過頭腦風暴和群策群力，依據上游顧客、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、外協加工、調試、發動機試車、氣源供應、項目管理和六性。并根據顧客的特點編輯了需求調查表，共獲得需求104項，圖2為試車準備場景分析圖。

在完成需求識別后，應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態需求等必須特性18項；滿足過渡態需求等一元特性17項；占地面積合理等魅力特性2項，如圖3所示。

圖2 試車準備場景需求分析結果

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項技術要求。

圖3 卡諾分析結果

2.2 概念設計

在進氣系統的概念設計過程中，團隊首先根據技術要求開展頭腦風暴、資料收集和討論確定75項技術，其中不同的概念碎片27項，關鍵技術5項。分別為流量測量方式、壓力快速條件方式、與試驗件結合部位密封方式、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，團隊根據方案編制了功能流程圖和功能系統圖，共識別功能87項，合并整理后為17項主要功能，如圖4所示。然后應用QFD對技術要求與功能要求的相關性進行了打分與討論。確定穩定溫度、穩定壓力等為重要功能要求。

圖4 功能流程圖

2.3 設計與優化

由于進氣系統的規模大、結構復雜，因此在此層面開展的工作主要是將設計目標和設計任務分配給各部件，各部件按照設計要求獨立進行DFSS的ICDOV5個步驟，并形成設計結果，本文由于篇幅的限制就以氣體摻混器為例介紹設計和優化階段。

2.3.1 摻混器的設計

摻混器設計團隊根據設計目標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路線圖和TRIZ發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現，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的需求進行分析，而進氣系統的需求不是針對摻混器提出的，因此在某種情況下產生了誤差。團隊根據上述分析結論，確定使用層次分析法重新進行方案選擇，依據層次分析法的準則層重新確定了出口溫差等6個準則，最終確定波瓣結構摻混器為最優方案，如圖5所示。

圖5 摻混器層次分析法定義

2.3.2 摻混器的優化設計

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

經過優化階段后全部的設計參數多已經確定，此時利用設計階段生成可靠性和結構設計檢查表對設計結果進行檢查，確定是否滿足設計要求，并生成相應的樣機方案。

2.4 設計驗證

在摻混器的驗證階段，團隊根據總體要求的各個不同的狀態點，對摻混器的設計結果進行了仿真驗證，均能滿足目標的要求。

3 結 論

圖7 傳遞函數及優化結果

DFSS要求由用戶、工藝和設計人員等相關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，又降低了風險。同時該技術路徑通過QFD進行設計信息逐層分解，通過FMECA進行上行遞歸，整體上形成了一個滿足公理設計的“V”字模型。既能保證設計信息不丟失，可以顯性地回溯，又能最大程度上保證設計質量滿足顧客的要求。因此，DFSS完全能夠滿足航空發動機試驗設備的設計要求。