航空發動機低溫殼體設計需求分析與指標確定策略

趙 雷

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

航空發動機低溫殼體設計需求分析與指標確定策略

趙 雷

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

航空發動機的低溫殼體在使用時需要滿足相應的強度、剛度指標及質量要求。對發動機低溫殼體在不同應用環境下進行定量需求分析以明確設計目標。通過Q FD質量功能展開工具逐層分解客戶需求、定位功能和物理參數，分析功能的重要性。通過模糊數學中的最大隸屬度模糊評價原理，分析多種方案的適應性，得出定量分析結果，避免以往依靠經驗和類比的不確定性。對優選的概念方案進行風險分析，識別重點失效模式并采取預防措施，獲得設計關注的技術指標。實例分析結果表明：采取多種數理分析方法和實用工具對需求分析、方案決策、風險預估3個方面進行的方法研究和設計實踐，有利于提高低溫殼體的方案設計方法的科學性，具有一定的參考價值。

殼體；結構；概念設計；Q FD；模糊評價；風險分析；航空發動機

0 引言

殼體結構是航空發動機的典型構件，在航空發動機各大部件結構中均有大量應用。低溫段殼體位于航空發動機的進口處，隨著涵道比越來越大，其殼體直徑也越來越大，質量也隨之顯著增加，低溫殼體既是發動機實現大涵道比的通道，又是葉片的包容主體結構。從用戶的角度來看，既要求低溫殼體厚度小來減質，又要求有充足的強度、剛性等可靠性指標滿足使用要求。以往的設計往往多依靠經驗，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生問題，產生很高的維護成本。在殼體的概念設計階段，有必要就殼體的用戶需求進行詳盡的分析，轉化為技術要求，進而在結構參數、材料選擇等方面做出適當的決策。用戶需求往往是定性的，很多要求甚至是模糊的，有必要轉換為設計中可以量化的指標，參與進行方案的選擇和優化，很多行業把模糊評價原理與工程實踐相結合，應用質量功能展開（Quality Function Deployment,QFD）工具，在方案優選[1-14]和用戶需求分析[15]方面做出了一定的探索，在航空發動機方面也有一些關注機匣設計方面的研究[13-14]，但都是對后期詳細設計階段的強度分析，缺少在機匣設計初期對結構方案概念的設計方法研究。

本文運用QFD質量工具逐層分解用戶對殼體結構的應用需求、分析需求的重要性，識別可實現需求的重要結構功能參數。在選材方面，運用模糊評價原理對鈦合金、鋁合金和復合材料3種不同選材的應用方案進行評價，最后對優選方案進行風險分析，為工程設計提供指導。這種層次識別和定量評價方法可在殼體的概念設計階段提煉此零件族的相似構造特征和分析方法，具有一定的普遍意義。

1 基于QFD的需求分析

QFD是1種把顧客需求轉化為質量要求的工具,由此決定產品設計質量,并系統地配置到各個環節及過程要素的多層次演繹方法。作為國際著名的產品設計理論之一,得到學術界和工業界的廣泛認可,并在一些著名的國際大企業取得成功的實施[1]。

QFD實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，甚至是重復性的，因此需要歸納分類，然后將客戶需求轉化為技術需求，即用定量的技術性描述映射客戶需求，同時反映對客戶需求的符合度，而技術需求與功能需求的轉化，即為了實現特定技術指標需要產品提供的功能，功能需求的再展開就可以反應功能與結構的關系，即進入具體的工程設計。在概念設計階段，主要目標是需求分析和方案的制訂，因此QFD的展開到功能層次已經是足夠的。遵循需求-技術描述-功能描述的路徑，完成2層映射關系分析，即可初步實現概念階段的需求分析，以工程技術語言解析顧客的需求內涵。QFD展開的每個階段都有著共同的轉化邏輯，也就是要分析出映射元素間的關聯性、重要性和可行性。

對于低溫端的殼體結構，經需求收集，主要有以下幾個方面，按其重要度列于表1，按1～5數字越大重要度越來越高。

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

表1 需求收集

表2 QFD I技術需求展開（部分）

表3 QFD II功能要求展開（部分）

同理，對技術需求進行下一個層次的展開，即功能展開見表3，獲得功能要求和技術要求的關系矩陣，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。按提升產品質量設計理論中的卡諾模型，可將用戶需求分為3類，第1類是基本特性：當特性不滿足時，顧客很不滿意，而當特性滿足時認為是應該的；第2類是一元特性：當特性滿足則顧客滿意，當特性不滿足則顧客不滿意，為一元線性關系；第3類是魅力特性：當特性不滿足時則顧客無所謂，當特性滿足時，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先考慮的特性；魅力特性包含：材料成本和輕質，將達到客戶期望的最高要求。

表4 功能要求的卡諾分類

經過功能需求分析清楚后即可進行初步結構方案設計，往往有多套結構方案可實現功能需求，為提高方案優選的可靠性，對可用模糊數學原理進行定量分析。

2 基于模糊評價的方案設計優選

方案設計中材料的選擇是很重要的1項內容。低溫端殼體材料一般為鈦合金、鋁合金和復合材料。哪種材料能最大程度的滿足應用需求，以往憑經驗的設計方法并不能提供更明確的決策信息。

模糊數學自誕生以來已廣泛用于自動控制、天氣預報、商品評價等多種領域中，在工程應用中并不多見[2]。模糊數學中隸屬度的概念比較適合材料的強度“較高、中等、較低”等模糊指標的描述分析，并通過模糊綜合評價的最大隸屬度原則對材料眾多指標進行綜合評判。

常用材料為鈦合金、鋁合金和復合材料，取備擇集合為：

{鈦合金，鋁合金，復合材料}

取因素集合為：

U={強度高，加工性好，包容性高，質量輕，成本低}

表5 評判結果

評判集合為：

V={好，較好，適中，較差，差}

由專家對備擇集的3個因素的評價結果見表5。

考慮低溫端殼體的工作環境、承載需求和使用要求，根據前面的卡諾需求分析，確定權重集為

X={0.40，0.15，0.30，0.10，0.05}

依據模糊數學理論，將權重集和評判結果表中數據代入綜合評判集計算公式，得到3種備擇材料的綜合評判集為

經歸一化，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}。

根據當前的權重集，評判結果集表明：鈦合金材料擁有最高的“好”和“較好”（均為0.296），是首選最優材料，其次是復合材料的方案（“好”的指標為0.188）。根據使用條件的變化，可相應改變權重集的指標分配，重新計算得到新的綜合評判集來確定最優材料。

3 風險分析

在概念設計階段應進行初步的功能FMECA分析以建立初始可靠性指標，并將風險向下分解，為后期詳細設計打好基礎。功能的潛在失效模式、影響嚴酷度、潛在原因及風險優先數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，是應該重點防范及早采取措施的項目。

功能的重要度、功能失效的風險度關系如圖1所示。從圖中可見，殼體的強度和剛度指標位于A區，是綜合重要性和關鍵性最高的指標；質量限制位于D區，是關鍵性高的指標；控制材料特性保證殼體剛度是重要性指標。包容性雖然故障嚴重度高，但綜合出現概率指標位于C區或D區。

表6 功能FMECA分析1（部分）

4 結論

通過QFD質量工具對客戶需求的分析和逐層分解，可在設計的概念階段完整地把握設計目的，梳理設計實現的步驟和措施。設計方案的決策采用模糊數學的綜合評判集給出定量的結果，是1種不同于以往“較好”、“還行”等定性表達的方法，這種方法適合多種因素影響下的綜合指標評判，通過對因素的判斷矩陣和權重因子，經模糊數學運算法則得到評判結果，在不同時期不同階段的決策可依據不同權重因子集的變化得到相應的結果集，尤其適用于初始概念階段的迭代過程。風險分析介入概念設計的時刻越早越可以把握潛在的失效并盡早確立應對方案。通過FMECA分析了功能的潛在失效模式及風險度，可以確立各功能指標的關鍵重要性分布，從中可以抓住關鍵因素，有針對性的將風險向后期具體設計階段分解，并合理采取預防和補救措施。

表7 功能FMECA分析2（部分）

通過低溫端殼體的概念設計實例，用QFD質量工具建立了殼體的客戶需求和技術、功能需求的關系，量化分析了應用的效果。在對殼體的材料選擇方案中建立了基于模糊數學的優選策略，最后通過風險分析，由重要度和風險度指標識別重要失效模式，為殼體進入工程設計提供需要重點關注的設計指標。通過對需求分析、方案決策、風險預估3個方面進行的方法研究和設計實踐，對其他殼體如高溫殼體等具有更復雜需求指標的殼體設計也具有一定的參考價值。

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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 基金項目：航空動力基礎研究項目資助

趙雷（1974），男，高級工程師，從事壓氣機結構設計工作；Email:niray@sina.com。

趙雷.航空發動機低溫殼體設計需求分析與指標確定策略[J].航空發動機，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）