航空发动机低温壳体设计需求分析与指标确定策略

赵 雷

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

航空发动机低温壳体设计需求分析与指标确定策略

赵 雷

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

航空发动机的低温壳体在使用时需要满足相应的强度、刚度指标及质量要求。对发动机低温壳体在不同应用环境下进行定量需求分析以明确设计目标。通过Q FD质量功能展开工具逐层分解客户需求、定位功能和物理参数，分析功能的重要性。通过模糊数学中的最大隶属度模糊评价原理，分析多种方案的适应性，得出定量分析结果，避免以往依靠经验和类比的不确定性。对优选的概念方案进行风险分析，识别重点失效模式并采取预防措施，获得设计关注的技术指标。实例分析结果表明：采取多种数理分析方法和实用工具对需求分析、方案决策、风险预估3个方面进行的方法研究和设计实践，有利于提高低温壳体的方案设计方法的科学性，具有一定的参考价值。

壳体；结构；概念设计；Q FD；模糊评价；风险分析；航空发动机

0 引言

壳体结构是航空发动机的典型构件，在航空发动机各大部件结构中均有大量应用。低温段壳体位于航空发动机的进口处，随着涵道比越来越大，其壳体直径也越来越大，质量也随之显著增加，低温壳体既是发动机实现大涵道比的通道，又是叶片的包容主体结构。从用户的角度来看，既要求低温壳体厚度小来减质，又要求有充足的强度、刚性等可靠性指标满足使用要求。以往的设计往往多依靠经验，对使用需求缺少全面定量的分析，常常在加工和使用过程中产生问题，产生很高的维护成本。在壳体的概念设计阶段，有必要就壳体的用户需求进行详尽的分析，转化为技术要求，进而在结构参数、材料选择等方面做出适当的决策。用户需求往往是定性的，很多要求甚至是模糊的，有必要转换为设计中可以量化的指标，参与进行方案的选择和优化，很多行业把模糊评价原理与工程实践相结合，应用质量功能展开（Quality Function Deployment,QFD）工具，在方案优选[1-14]和用户需求分析[15]方面做出了一定的探索，在航空发动机方面也有一些关注机匣设计方面的研究[13-14]，但都是对后期详细设计阶段的强度分析，缺少在机匣设计初期对结构方案概念的设计方法研究。

本文运用QFD质量工具逐层分解用户对壳体结构的应用需求、分析需求的重要性，识别可实现需求的重要结构功能参数。在选材方面，运用模糊评价原理对钛合金、铝合金和复合材料3种不同选材的应用方案进行评价，最后对优选方案进行风险分析，为工程设计提供指导。这种层次识别和定量评价方法可在壳体的概念设计阶段提炼此零件族的相似构造特征和分析方法，具有一定的普遍意义。

1 基于QFD的需求分析

QFD是1种把顾客需求转化为质量要求的工具,由此决定产品设计质量,并系统地配置到各个环节及过程要素的多层次演绎方法。作为国际著名的产品设计理论之一,得到学术界和工业界的广泛认可,并在一些著名的国际大企业取得成功的实施[1]。

QFD实施过程从收集客户需求开始，其需求往往是定性的、叙述性的，甚至是重复性的，因此需要归纳分类，然后将客户需求转化为技术需求，即用定量的技术性描述映射客户需求，同时反映对客户需求的符合度，而技术需求与功能需求的转化，即为了实现特定技术指标需要产品提供的功能，功能需求的再展开就可以反应功能与结构的关系，即进入具体的工程设计。在概念设计阶段，主要目标是需求分析和方案的制订，因此QFD的展开到功能层次已经是足够的。遵循需求-技术描述-功能描述的路径，完成2层映射关系分析，即可初步实现概念阶段的需求分析，以工程技术语言解析顾客的需求内涵。QFD展开的每个阶段都有着共同的转化逻辑，也就是要分析出映射元素间的关联性、重要性和可行性。

对于低温端的壳体结构，经需求收集，主要有以下几个方面，按其重要度列于表1，按1～5数字越大重要度越来越高。

将原始客户需求按QFD原理展开为技术需求见表2，从表中可知，客户需求与技术需求存在一一对应的相关矩阵，与原始客户需求重要度一起，合成了QFD相对重要度算法，可以将每条技术需求重要度进行量化，同时还可以从需求满足度指标判断是否得到足够展开的技术需求以满足原始需求。

表1 需求收集

表2 QFD I技术需求展开（部分）

表3 QFD II功能要求展开（部分）

同理，对技术需求进行下一个层次的展开，即功能展开见表3，获得功能要求和技术要求的关系矩阵，可得展开的功能要求的重要性和充分性。

将功能要求按卡诺分类见表4。按提升产品质量设计理论中的卡诺模型，可将用户需求分为3类，第1类是基本特性：当特性不满足时，顾客很不满意，而当特性满足时认为是应该的；第2类是一元特性：当特性满足则顾客满意，当特性不满足则顾客不满意，为一元线性关系；第3类是魅力特性：当特性不满足时则顾客无所谓，当特性满足时，顾客感到超出期望。按此分析，基本特性包含：包容、承载能力、可检性、易磨性，这4个功能是必须满足的特性；一元特性包含：损伤容限、材料工艺性是受客观条件限制的需优先考虑的特性；魅力特性包含：材料成本和轻质，将达到客户期望的最高要求。

表4 功能要求的卡诺分类

经过功能需求分析清楚后即可进行初步结构方案设计，往往有多套结构方案可实现功能需求，为提高方案优选的可靠性，对可用模糊数学原理进行定量分析。

2 基于模糊评价的方案设计优选

方案设计中材料的选择是很重要的1项内容。低温端壳体材料一般为钛合金、铝合金和复合材料。哪种材料能最大程度的满足应用需求，以往凭经验的设计方法并不能提供更明确的决策信息。

模糊数学自诞生以来已广泛用于自动控制、天气预报、商品评价等多种领域中，在工程应用中并不多见[2]。模糊数学中隶属度的概念比较适合材料的强度“较高、中等、较低”等模糊指标的描述分析，并通过模糊综合评价的最大隶属度原则对材料众多指标进行综合评判。

常用材料为钛合金、铝合金和复合材料，取备择集合为：

{钛合金，铝合金，复合材料}

取因素集合为：

U={强度高，加工性好，包容性高，质量轻，成本低}

表5 评判结果

评判集合为：

V={好，较好，适中，较差，差}

由专家对备择集的3个因素的评价结果见表5。

考虑低温端壳体的工作环境、承载需求和使用要求，根据前面的卡诺需求分析，确定权重集为

X={0.40，0.15，0.30，0.10，0.05}

依据模糊数学理论，将权重集和评判结果表中数据代入综合评判集计算公式，得到3种备择材料的综合评判集为

经归一化，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}。

根据当前的权重集，评判结果集表明：钛合金材料拥有最高的“好”和“较好”（均为0.296），是首选最优材料，其次是复合材料的方案（“好”的指标为0.188）。根据使用条件的变化，可相应改变权重集的指标分配，重新计算得到新的综合评判集来确定最优材料。

3 风险分析

在概念设计阶段应进行初步的功能FMECA分析以建立初始可靠性指标，并将风险向下分解，为后期详细设计打好基础。功能的潜在失效模式、影响严酷度、潜在原因及风险优先数RPN值分别见表6、7。由表中可见RPN值较高的有壳体变形和超重问题，是应该重点防范及早采取措施的项目。

功能的重要度、功能失效的风险度关系如图1所示。从图中可见，壳体的强度和刚度指标位于A区，是综合重要性和关键性最高的指标；质量限制位于D区，是关键性高的指标；控制材料特性保证壳体刚度是重要性指标。包容性虽然故障严重度高，但综合出现概率指标位于C区或D区。

表6 功能FMECA分析1（部分）

4 结论

通过QFD质量工具对客户需求的分析和逐层分解，可在设计的概念阶段完整地把握设计目的，梳理设计实现的步骤和措施。设计方案的决策采用模糊数学的综合评判集给出定量的结果，是1种不同于以往“较好”、“还行”等定性表达的方法，这种方法适合多种因素影响下的综合指标评判，通过对因素的判断矩阵和权重因子，经模糊数学运算法则得到评判结果，在不同时期不同阶段的决策可依据不同权重因子集的变化得到相应的结果集，尤其适用于初始概念阶段的迭代过程。风险分析介入概念设计的时刻越早越可以把握潜在的失效并尽早确立应对方案。通过FMECA分析了功能的潜在失效模式及风险度，可以确立各功能指标的关键重要性分布，从中可以抓住关键因素，有针对性的将风险向后期具体设计阶段分解，并合理采取预防和补救措施。

表7 功能FMECA分析2（部分）

通过低温端壳体的概念设计实例，用QFD质量工具建立了壳体的客户需求和技术、功能需求的关系，量化分析了应用的效果。在对壳体的材料选择方案中建立了基于模糊数学的优选策略，最后通过风险分析，由重要度和风险度指标识别重要失效模式，为壳体进入工程设计提供需要重点关注的设计指标。通过对需求分析、方案决策、风险预估3个方面进行的方法研究和设计实践，对其他壳体如高温壳体等具有更复杂需求指标的壳体设计也具有一定的参考价值。

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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 基金项目：航空动力基础研究项目资助

赵雷（1974），男，高级工程师，从事压气机结构设计工作；Email:niray@sina.com。

赵雷.航空发动机低温壳体设计需求分析与指标确定策略[J].航空发动机，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.

（编辑：张宝玲）