直升機通用質量特性與性能綜合權衡技術研究

趙坤朋，宋永磊

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

新型裝備的性能與通用質量特性要求多，設計參數多，耦合關系復雜，而且性能與通用質量特性的實現存在耦合和沖突，在新型裝備通用質量特性與性能要求的實現過程中，需針對研制過程中產生的多技術方案(包括原方案和改進方案)進行權衡比較和擇優，最終保證整個研制過程按優化方向發展。雖然裝備研制中通用質量特性與性能多要素綜合權衡的需求旺盛，但其數據來源和形式多樣，且由于預測方法的局限性使得參數的評估具有一定的不確定性，導致指標“偏軟”，難以有效影響綜合權衡，造成目前的決策過多地依賴于以往型號的經驗，沒有真正地做到權衡決策的科學性[1]。

在型號的綜合設計過程中，對存在的多個設計方案，基于其對通用質量特性與性能要求的滿足程度，對其進行定量的評價一直是綜合權衡過程的重難點。本論文基于理想解法[2]，首次提出了直升機型號通用質量特性與性能綜合權衡方法，使各類通用質量特性參數以及功能特性可在相同的尺度下參與決策。理想解法是從幾何角度出發，通過借鑒多目標決策問題中的理想解和負理想解的思想，選擇出與理想方案的差距最小并且與負理想方案差距最大的方案為最優方案，通過這種方法，可實現功能與通用質量特性的多人多專業群體決策。

1 綜合權衡技術框架

對于某個系統或成品，為了實現其功能和性能，設計師提出了若干個設計方案，需要分別從重量、可靠性、維修性、強度、安裝空間、加工工藝、技術成熟度、進度、成本等方面對設計方案進行評價，并選擇出最佳的方案。

1.1 利用QFD技術確定關鍵決策屬性

QFD是一種顧客需求驅動的產品設計和質量保證的技術，通過使用QFD，使產品設計開發的過程圍繞實現顧客的需求來展開。QFD技術的重點是準確理解顧客的需求，關鍵是建立QFD質量屋(House of quality, HoQ)，給以輸入信息，通過分析評價得到輸出信息，從而實現一種需求轉換。典型的質量屋[3]如圖1所示。

①顧客需求及其重要度，是一個m行一列的列向量，其中m表示有m項顧客需求。顧客需求的重要度表示各顧客需求在產品設計中的重要程度，用來衡量某項顧客需求在設計中優先考慮的順序。

②技術特征矩陣，是一個一行n列的行向量，其中n表示技術特性的個數，表示為了滿足顧客需求而采取的一系列方法和措施。

③顧客需求與技術特征關系矩陣，表明了顧客需求與工程技術特征之間的關系，即各項技術特性對相應的顧客需求的貢獻及相關程度。通常利用評分的方式得到，相關程度強用●表示，并賦予其值為9分；相關程度為中等用○表示，賦予其值為3分；弱相關用▲表示，賦值為1分。

④自相關矩陣，表示各工程特征之間的相關程度，表征了改善某一項技術特征對其它技術特征的影響。

⑤技術特征決策，即技術特征最終重要度。

通過HoQ的建立過程，通過定性與定量的分析，得到了關鍵的技術特征，即關鍵的決策屬性。

圖1 質量屋

1.2 建立決策矩陣

假設設計方案有m個，通過QFD技術確定的關鍵決策屬性有n個，通過相關專業的專家對不同設計方案關鍵決策屬性進行評價，并量化為評價值，建立決策矩陣[4]如下：

(1)

式中，X={x1，x2，…,xm}—方案集；A={a1，a2，…，an}—衡量各決策方案的關鍵決策屬性集；rij—決策方案xi對屬性aj的評價值。

1.3 解決步驟

步驟1：規范由各方案的性能與RMS屬性指標構成的決策矩陣R=[rij]，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n，由于度量設計方案的各個性能與RMS屬性評價指標均為確定型的點值指標，總的來說，可以分為成本型屬性指標和效益型屬性指標，其規范化方法如下：

1) 效益型屬性指標，即正向指標(越大越好)

(2)

2) 成本型屬性指標，即逆向指標(越小越好)

(3)

歸一化決策矩陣B：

B=[bij]，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n

(4)

(5)

步驟3：確定性能與RMS綜合決策的正理想方案X+和危害性負理想方案X-：

正理想方案X+為：

負理想方案X-為：

步驟4：分別計算每個參與決策的方案xi到正理想方案X+和負理想方案X-的Hamming[5]距離為：

(6)

i=1,2,…,m,j=1,2,…,n

(7)

步驟5：計算每個參與決策的方案xi到負理想方案X-的相對貼近度：

(8)

步驟6：按di值從大到小對每個參與決策的方案進行排序，若di值最大，則可認為相應的決策方案最優。

2 案例研究

某型機魚叉液壓系統交付用戶后，用戶反饋魚叉液壓系統存在附件拆裝不便、維護性較差、可靠性低、重量大等問題，需要對其進行改進優化設計，以達到減小重量，提高產品的維護性和可靠性的目標。

設計目標：重量減輕7.1%；可靠性指標、維修性指標滿足整機要求；主要部件滿足強度設計要求。

2.1 確定關鍵決策屬性

將顧客類別分為上級系統、下游環節以及約束。上級系統包括軍代表、空勤、地勤，魚叉系統、液壓系統以及通用質量特性要求等，下游環節包括傳動系統、電氣系統、機電系統、機體結構，主機廠、試驗單位、試飛單位等，約束包括標準、規范，質量部門，技術狀態管理等。通過調研，得到顧客對于魚叉液壓系統的需求如表1所示。

表1 用戶需求

續表1

對顧客需求進行整理并親和，得到了6類顧客需求。綜合考慮用戶需求、技術要求、可靠性要求、經濟性因素等要素，通過QFD技術，確定如下8種屬性作為上述方案決策的指標：減輕的重量、可靠性、強度、安裝空間、加工工藝、技術成熟度、進度以及成本。

2.2 建立決策矩陣

為了解決用戶提出的問題，提出了以下三種設計方案。

方案一：魚叉組合閥組件

采用集成化技術，對魚叉液壓系統部件中的魚叉附件板組件的設計進行改進，圖2為魚叉附件板組件原設計圖，圖3為對魚叉附件板重新集成后的改進方案。

圖2 魚叉附件板組件原設計圖

方案二：左油箱與輔助控制閥集成

對原設計中的左油箱(圖4)和輔助控制閥(圖5)進行集成。

圖3 魚叉組合閥組件設計圖

方案三：應急油箱與應急閥集成

對原設計中的應急油箱(圖6)和應急閥(圖7)進行集成。

綜合考慮設計方案以及各方面專家的意見，得到上述三種方案的指標評分值，如表2所示。

表2 各集成方案的專家評分

注：各指標的評分范圍為1-10

由表2中的專家評分可知，決策矩陣為：

(9)

對決策矩陣進行規范化，并對決策矩陣進行歸一化處理，得到的歸一化決策矩陣如下：

B=

2.3 求加權決策矩陣

考慮各方面專家的意見，得到8種指標的權重因子如表3所示。

表3 各指標的權重因子

ω=(0.172 0.138 0.138 0.138 0.103 0.138 0.103 0.369)

(11)

求得加權決策矩陣：

2.4 計算每個參與決策的方案到負理想方案的相對貼近度

由加權決策矩陣得正理想方案：

X+={0.125 0.089 0.092 0.095 0.067 0.116 0.068 0.044}

(13)

負理想方案：

X-={0.069 0.056 0.066 0.032 0.040 0.039 0.038 0.031}

(14)

經計算，每個參與決策的方案到正理想方案和負理想方案的Hamming距離為：

各相對貼近度為：

d1=0.607,d2=0.567,d3=0.423

方案排序結果為d1>d2>d3，即方案一優于方案二，方案二優于方案三。

3 仿真結果驗證

對魚叉組合閥組件方案進行仿真分析，仿真結果如圖8所示，結論如下：

圖8 仿真結果對比

原設計方案中的魚叉附件板組件的總重為11.604kg，而新方案魚叉組合閥組件的總重為7.78kg，新方案達到了總體減重3kg的設計要求。此外，新的設計方案引入后，魚叉組合閥組件的設計沒有降低魚叉液壓系統的整體性能，并且新設計的方案也滿足了系統對可靠性的要求。

4 結論

本文提出了基于理想解法的五性與性能綜合權衡方法，解決了多方案決策中關鍵決策屬性的歸一化處理問題，充分考慮了各屬性間的重要度排序，實現了新型裝備綜合設計過程中通用質量特性與性能的綜合權衡，保證了研制過程的不斷優化，為直升機關鍵系統、設備的多方案優選提供了一種既符合工程實際又效果良好的方法。