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六西格玛设计(DFSS)方法在航空发动机管路设计中应用

某型航空发动机五级引气管位于发动机外涵流道内,受高温高压工作环境、维护要求、引气量、外涵流道内空间狭小和生产工艺等条件的制约,五级引气管的设计工作非常复杂,涉及到结构设计、强度分析、气动计算、航空管路和钣金制造等技术领域的内容,需对各方面的影响进行综合分析和评估。针对某型发动机原五级引气管堵塞面积占外涵流道流通面积比例高、制造加工精度低和装配性差、首次装配周期长、部分管路接头可靠性较低、曾变形漏气等问题,应用六西格玛设计(DFSS)方法对其进行了优化设计。通过项目实践,达到了预期的改进设计目标,同时,将DFSS设计方法导入航空发动机管路设计过程,为DFSS方法后续应用积累了有益经验。

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一、精心策划,有力组织,为DFSS方法学习和实践创造良好条件

DFSS方法为全新引入的设计方法,与传统的航空发动机设计方法相比,在流程和具体分析方法及工具上存在显著区别,项目应用DFSS方法开展优化设计本身即是学习和实践新方法的过程。为走好这一过程,从项目选题、人员组织等方面精心策划和组织,为学习和实践活动创造了良好条件。

在项目选题方面,精心选择了航空发动机管路设计中的典型结构,具有相对复杂设计约束,便于发挥DFSS方法优势,同时又是科研工作中急需解决的设计难题,具有投入较大精力研究的应用价值;

在人员组织方面,采取了绿带学员(骨干)+黄带学员(一般成员)分级培训,保证学习效果,同时不占用过多科研人员资源;多专业成员共同参与的DFSS多功能团队,确保应用实践环节有效和顺利开展;在具体的人员搭配上中青搭配,使团队兼具经验和活力。

二、通力合作,稳步推进,DFSS多功能团队活动对优化设计过程形成有效支撑

根据五级引气管优化设计项目需要建立的多功能团队,主要由发动机总体结构及总体性能设计、“六性”设计、制造、装配及试验工艺设计、管理等专业人员组成。在项目开展的过程中,多次组织多功能团队活动,团队成员从各自的领域出发,提出了对五级引气管优化设计的需求,并积极地参与了质量功能展开、方案筛选评分等工作,确保了评分的客观性,有效地支持了活动的进行。

三、循序渐进,精益求精,DFSS方法和工具的应用使得优化设计取得实效

五级引气管优化设计导入了识别→概念→设计→优化→验证(ICDOV)的技术路径(图1),针对某型发动机原有五级引气管存在的问题,在优化设计过程中综合运用了相关方法和工具,规范了五级引气管优化设计过程,使得每一步设计都有明确的输入要求,都能得到准确的输出结果,从而保证最终的设计结果能够满足预定的客户要求。

在识别阶段,进行了五级引气管优化设计的客户及客户需求识别(VOC分析),通过第一层质量功能展开(QFDⅠ)明确了重要的技术要求,并确定项目目标和设计目标。

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在概念阶段,进行了五级引气管优化设计概念方案生成;进行了五级引气管重要功能识别(QFDⅡ)、重要零组件识别(QFDⅢ),将技术要求进一步转化、传递至功能要求与结构要求,进行了系统边界分析以及预先风险分析、故障树分析等初步的可靠性分析工作。

在设计阶段,进行了重要设计参数识别(QFDⅣ)、结构件建模设计工作,通过导管管形重新设计,改善了五级引气管对流道的堵塞影响,通过卡箍和支架的改进设计改善了五级引气管的装配性,通过管路接头的重新设计提高了其可靠性;进行了可靠性维修性设计准则符合性检查,面向制造及装配设计原则符合性检查,促进了设计质量提升;进行了硬件FMECA分析,对可能产生的故障进行预估,并进行针对性的改进;构建零件计分卡与流程计分卡,使用类似结构加工数据进行统计,对优化设计后五级引气管加工的西格玛水平进行预估。

在优化阶段,通过IDEF建模找到了影响流道堵塞的关键控制因子,进行实验设计,并根据实验设计(DOE)结果进行导管设计参数优化,进一步减小了管路对流道的堵塞影响。

在验证阶段,对优化设计结果进行了计算评估,对于优化设计的五级引气管首装时间进行了统计,并进行动应力测试,初步验证了其安全性;进行了相关图纸、文件的编制签署及发放工作,完成了工程移交。

通过在五级引气管优化设计项目中应用DFSS设计方法,最终的管路设计达到了降低流道堵塞比、缩短首次装配时间、提高管路可靠性的目标。

四、提前介入,全程关注,DFSS方法实现了六性和工艺设计与结构设计流程的融合

通过“六性”设计人员、工艺设计人员参与多功能团队活动,六性”及工艺实现了提前介入;通过六性”及工艺需求的提出、转化和传递,以及设计流程中镶嵌的功能分析、故障树分析、FMECA分析、面向制造和装配设计原则检查等环节工作,实现了“六性”和工艺设计与产品结构设计流程的融合。设计过程始终有效保证了对六性、工艺的关注,提高了五级引气管优化设计结果的可靠性,提高了其制造和装配的工艺性。

目前改进设计的五级引气管已在某型发动机上应用,改进设计过程中引用的DFSS方法也可在发动机类似结构设计上推广应用。

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