六西格玛设计在航空发动机试验设备设计中的应用

常鸿雯

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引 言

航空发动机是具有复杂的气动力、热力和结构的动力装置，是飞机性能的决定因素之一，其被誉为飞机的心脏、机械设计皇冠上的明珠。从发动机的发展历程可以看出，发动机的发展在很大程度上是试验技术同设计分析相结合的结果。因此，近年来各国在发动机试验技术和试验设备上投入了巨大的人力、物力，使得其技术的发展日新月异。

由于航空发动机行业的自身特点，在试验设备设计过程中，往往一台试验设备要适应多种发动机型号，而每种型号又有多个不同的性能和质量指标。同时，发动机试验设备投资大、周期短、不确定因素多，这也对设备设计提出了兼容性、扩展性、灵活性等方面的要求。这就使得试验设备的设计变得非常复杂，带来了较大的技术风险和资源投入风险。从这一角度来看，在试验设备设计领域，急需一种方法保证设计过程的质量水平，降低风险。

本文基于某进气加温、加压试车台的进气系统设计实例，研究了六西格玛设计( DFSS, De-sign for Six Sigma,本文以下简称为DFSS)方法[1-2]同航空发动机试验设备设计的融合过程，并且以其中气体掺混器的设计过程说明了DFSS方法在试验设备设计中的作用。

1 DFSS简介

DFSS是一种以顾客需求为导向、面向质量和可靠性的通用设计方法。其能够在确定的技术基础上，最大程度地考虑需求、技术和研制过程的不确定影响因素, 提高设计结果的可靠性和鲁棒性。DFSS通过引入方法、细化流程、建立多功能团队等手段提升设计质量、强化研制流程、预估失效、降低设计风险。其技术路径主要分为I（识别）、C（概念）、D（设计）、O（优化）、V（验证）。针对复杂的系统，在D阶段可以将设计任务向下分解到子系统，各子系统分别按照ICDOV进行设计，完成设计后再进行集成，并对需求进行反复迭代，完成整体的优化和验证，如图1所示。

图1 DFSS设计技术路径图

1.1 识别阶段

识别阶段首先是建立多功能团队，并对顾客进行识别，确定产品要为哪些顾客服务。其次是对顾客需求的管理，既不能只考虑自身的方便，随便拒绝顾客的要求，又不能对顾客的要求盲目屈从。第三是确定设计的评价技术指标，从识别阶段开始，产品的控制权就由顾客转移到了设计者手中，因此如何提出合适的产品评价指标以满足顾客需求，并将这些指标传递给流程下面的节点，对于整个设计环节是最为重要的。最后就是建立设计质量评价表，并确定项目的技术目标。

1.2 概念设计阶段

概念阶段主要是根据识别阶段的成果－技术要求，通过概念碎片整理、TRIZ等方法建立起为实现产品所必须的关键技术路径，然后通过PUGH矩阵进行概念选择确定方案；通过功能分析明确产品的功能要求、FAST图等工具识别功能；通过QFD识别重要的功能和功能的完备性；通过功能－结构映射将功能和结构建立对应关系；然后利用公理设计的理念，并结合功能结构映射表、功能FMECA等工具，确定重要的结构并明确各子系统界面。

1.3 设计阶段

设计阶段主要是完成具体零部件的结构设计工作，并识别出重要的待优化参数，以便在优化阶段进行优化。通过设计准则的建立将结构同可生产性、可靠性联系起来。将单纯的产品结构设计转变成基于可靠性和可生产性的结构设计。另外，在设计阶段DFSS引入了计分卡和质量能力预估、MSA等概念和方法，使得在设计的初期更多地规避加工、制造和生产流程过程中的风险和不确定性。

1.4 优化阶段

优化阶段主要依靠DOE建立传递函数，通过优化明确结构参数的名义值。利用蒙特卡罗、稳健设计等方法进行容差设计，确定结构参数的范围和公差。另外，在优化阶段DFSS会利用前期形成的设计准则开展健全性检查。并根据优化的结果进行设计集成和迭代，形成产品样机方案。

1.5 验证阶段

在验证阶段，主要的任务是设计验证、工程移交和生产控制计划。DFSS会根据设计质量表的要求形成验证计划，开展试验或仿真验证。通过对验证结果的分析，重新进行回溯迭代，开展硬件FMECA检查，最终形成完整的设计输出。在设计输出后，会根据技术状态，开展QFD明确关键的工艺参数对结构参数的影响，开展基于工艺的FMECA分析，通过SPC形成生产环的控制计划。

2 基于DFSS的试验设备设计

某核心机试车台是采用管路进气的方式为发动机提供一定温度、压力的气体，模拟飞机在不同状态时发动机的工作环境。其进气系统是发动机试验设备的重要组成部分，直接影响发动机试验环境的模拟情况，涉及技术和构成比较复杂，覆盖试验设备设计的相关技术的大部分内容。为了保证能够模拟真实的进气情况，提升进气系统的流场品质，本文按照ICDOV对进气系统进行设计。

2.1 需求分析

在进气系统的设计中，建立了13人的多功能团队，团队成员由技术总师、项目主管、用户、工艺、结构设计、气动计算、控制系统设计等类型人员参加。通过头脑风暴和群策群力，依据上游顾客、下游顾客和约束条件共识别8种顾客，分别为试验要求、试车台、外协加工、调试、发动机试车、气源供应、项目管理和六性。并根据顾客的特点编辑了需求调查表，共获得需求104项，图2为试车准备场景分析图。

在完成需求识别后，应用卡诺分析对需求进行了特性分类，其中分析出满足进气稳态需求等必须特性18项；满足过渡态需求等一元特性17项；占地面积合理等魅力特性2项，如图3所示。

图2 试车准备场景需求分析结果

在完成需求识别和特性分类后，团队成员针对需求进行资料整 理 分析、标杆项 目 分析、量化分析等工作，最终确定温度范围、压力范围、流量范围等34项技术要求。

图3 卡诺分析结果

2.2 概念设计

在进气系统的概念设计过程中，团队首先根据技术要求开展头脑风暴、资料收集和讨论确定75项技术，其中不同的概念碎片27项，关键技术5项。分别为流量测量方式、压力快速条件方式、与试验件结合部位密封方式、升温方式和流量变化控制方式，并利用PUGH矩阵分析，确定初步方案。

在完成方案选择后，团队根据方案编制了功能流程图和功能系统图，共识别功能87项，合并整理后为17项主要功能，如图4所示。然后应用QFD对技术要求与功能要求的相关性进行了打分与讨论。确定稳定温度、稳定压力等为重要功能要求。

图4 功能流程图

2.3 设计与优化

由于进气系统的规模大、结构复杂，因此在此层面开展的工作主要是将设计目标和设计任务分配给各部件，各部件按照设计要求独立进行DFSS的ICDOV5个步骤，并形成设计结果，本文由于篇幅的限制就以气体掺混器为例介绍设计和优化阶段。

2.3.1 掺混器的设计

掺混器设计团队根据设计目标进行了需求识别和概念生成工作。在概念生成过程使用技术路线图和TRIZ发明原理等工具共形成8个可行方案，在利用PUGH矩阵进行概念选择时发现，有3个方案得分相近，分析认为可能是由于掺混器利用进气系统的需求进行分析，而进气系统的需求不是针对掺混器提出的，因此在某种情况下产生了误差。团队根据上述分析结论，确定使用层次分析法重新进行方案选择，依据层次分析法的准则层重新确定了出口温差等6个准则，最终确定波瓣结构掺混器为最优方案，如图5所示。

图5 掺混器层次分析法定义

2.3.2 掺混器的优化设计

掺混器的优化阶段主要针对设计阶段确定的波瓣高度、波瓣狭缝宽和中心锥出口半径3个待优化参数开展。依据DOE方法建立试验计划，确定优化值的取值范围。利用ANSYS进行气动计算，建立传递函数，并利用优化器对参数进行优化，如图6和图7所示。

经过优化阶段后全部的设计参数多已经确定，此时利用设计阶段生成可靠性和结构设计检查表对设计结果进行检查，确定是否满足设计要求，并生成相应的样机方案。

2.4 设计验证

在掺混器的验证阶段，团队根据总体要求的各个不同的状态点，对掺混器的设计结果进行了仿真验证，均能满足目标的要求。

3 结 论

图7 传递函数及优化结果

DFSS要求由用户、工艺和设计人员等相关利益者组成的多功能团队，全程参与上述全过程。因此,团队成员对每个需求、甚至每个参数有了清晰的认识和理解，可以在最大程度上形成团队合力，既提高了效率，又降低了风险。同时该技术路径通过QFD进行设计信息逐层分解，通过FMECA进行上行递归，整体上形成了一个满足公理设计的“V”字模型。既能保证设计信息不丢失，可以显性地回溯，又能最大程度上保证设计质量满足顾客的要求。因此，DFSS完全能够满足航空发动机试验设备的设计要求。