基于QFD的新型飛行器結構設計方法研究

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構系統創新設計的迫切需求和產品研制中存在的問題，對現代設計方法中的質量功能展開（QFD）[1，2]和問題解決理論（TRIZ）進行了集成研究，以質量屋的形式，建立了從客戶需求到結構方案的關系矩陣。通過FMECA分析，得出故障模式權重系數并添加到QFD模型中，進一步修正計算結果。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構設計方案。

關鍵詞：質量功能展開；失效模式影響；危害性分析；結構設計

引言

航天產品的設計研制過程是一項技術難度高、涉及專業領域廣的系統工程。隨著我國國防現代化建設的快速發展和國家綜合實力的部段提升，航天型號的設計開發、研制生產任務量急劇增加，客戶對產品質量、可靠性、安全性等方面也提出了更高的要求。僅靠擴大生產規模，利用優化技術完善現有產品已不能保證獲得競爭優勢。由粗放式管理轉變為精益化管理[3]，充分利用有限的資源，快速實現創新設計，成為科研工作的關鍵。

1 新型飛行器結構設計客戶需求分析

新型航天飛行器結構設計方案設計處于系統工程中的基礎地位，其與各專業間的數據引用、協調等問題一直貫穿于產品設計的全過程，結構設計水平直接影響整個飛行器的性能及質量，最終影響任務的完成。

通過調研與頭腦風暴等方法，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研結果劃分為三個層次：基本型需求、期望型需求和興奮型需求，如圖2所示。

2 基于質量功能展開（QFD）的新型飛行器結構方案設計

根據上述客戶對飛行器結構需求的分析，利用質量功能展開方法，規劃了客戶需求-設計規劃-限制條件-關鍵技術-攻關項目-結構方案的攻關途徑，通過建立五級質量屋，得到滿足客戶需求的新型飛行器結構方案，其總體規劃如圖3所示。

3 基于FMECA的QFD模型修正

傳統的QFD輸入對于客戶需求依賴較大，而根據航天型號產品研制經驗，客戶的需求往往是動態的、變化的，在用QFD模型進行分析時，其得出的需重點攻關項目的權重存在失真的風險。其次，在質量屋中，攻關項目的自相關矩陣以及客戶需求展開得到的關鍵技術與攻關項目之間的相關關系矩陣是用一些數字來表示的，這些數字有可能沒有正確的反應他們之間的復雜關系。而FMECA技術則能夠幫助QFD克服這些局限性：（1）雖然客戶需求是不斷變化的，然而產品的失效模式往往變動較小。由FMECA分析可以得出產品薄弱環節是由于哪些零部件所造成的，這樣即使客戶需求發生改變，可以使得相應的技術特征不會產生大的變化，由此消除客戶需求改變造成的影響。（2）FMECA分析可以減少對質量屋矩陣的依賴。傳統的QFD都是由相關專家對質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可靠性分析結果重新用到質量屋中，可以修正QFD的輸出，得到更加準確的結果。

3.1 QFD與FMECA集成設計流程規劃

QFD 與FMECA集成模型的建立思路：以QFD方法為基礎，將FMECA分析計算得到的風險優先數RPN轉換為故障權重系數F，然后將F反饋到質量屋中，形成兩者集成后的方案流程如圖4所示。

3.2 飛行器結構故障模式權重系數分析

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

RPN=ESR×OPR （1）

式中：RPN數越高，則其危害性越大。

下一步，對新型飛行器結構進行FMECA 分析，采用借鑒法、從產品整個流程分析其故障模式等方法，并根據功能可靠性方塊圖來討論分析新型飛行器結構的故障模式，最后得出故障模式如下：結構破壞、變形大、失穩、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構故障模式重要展開分析，結果如表1所示。

3.3 基于FMECA的QFD分析模型

在上一節中已求出技術特征的故障模式權重系數，將此項系數加入第四級 QFD 的質量屋中，形成基于FMECA的QFD綜合分析模型，如圖5所示。

從圖5可以看出經整合后的質量屋增加了故障模式權重系數和綜合權重系數兩項。由圖5可知，經 QFD 得到的結構設計攻關項目重要度排序為：框=梁>飛行器控制系統主結構>飛行終止系統結構=減速裝置結構>飛行器壁板=著陸系統結構=減速裝置連接接頭=發動機油箱結構=設備安裝支架>發動機吊艙。而基于 FMECA 修正過后的結構設計攻關項目重要度排序為：飛行器控制系統主結構>著陸系統結構>減速裝置結構>框=梁=飛行器壁板=減速裝置連接接頭=設備安裝支架=飛行終止系統結構>發動機油箱結構=發動機吊艙。經對比可以看出，結構設計攻關項目重要度的排序已發生明顯變化，重要度排序越靠前就越需要設計人員在設計過程中重點關注，充分考慮該結構性能指標，這樣最終產品才能具有較高質量，才更符合客戶的需要。

4 新型飛行器結構方案對比分析

基于五級QFD模型的結構方案初步對比：

按照上述方法，逐級建立質量屋，完成從客戶對飛行器結構需求的分析到結構設計需重點攻關項目的功能展開，并綜合考慮材料、模具、工藝、工時等[4]，得到了飛行器主結構方案初步對比分析結果，如表3所示。

通過上述分析可以得出，相對于金屬結構方案，復合材料方案在性能、可靠性、經濟性等方面都占據優勢，因此確定其為新型飛行器的結構方案。

5 結束語

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，并將其逐步轉換為設計要素，建立了結構設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重系數，對QFD模型進行了修正，確保結構方案具備較高可靠性，論證了新型飛行器結構方案的經濟性。該方法建立了質量方法驅動型號結構系統研制的新體系，初步構建了適用于飛行器結構特點的研制模式，可應用于不同類型的航天產品研發設計中。

參考文獻

[1]趙道致，王敏，于愛兵.基于QFD的機床造型再設計決策研究[J].機械設計，2008（1）：6-7，61

[2]Michalski，Andrzej，Dziadak，Bogdan.Quality Engineering Tools Used to Design & optimize a Mobile Measure

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[3]熊偉.質量功能展開-從理論到實踐[M].北京：科學出版社，2012.

[4]佟振博，孫朝陽，王剛，等.面向工程系統研制的可制造性評價策略研究[J].計算機集成制造系統，2005，11（10）：1461-1464.

作者簡介：許健（1981-），男，高工，碩士，研究方向：飛行器結構設計。