DFSS方法在航空发动机管路设计中应用

某型航空发动机第五级风道位于发动机的涵道内。受高温高压工作环境、维修要求、风量、旁通管内空间狭小和生产工艺的制约，第五级风道的设计非常复杂，涉及结构设计、强度分析、气动计算、航空管道和钣金制造等技术领域。，需要对各种影响进行综合分析评估。针对某型发动机原五级进气管堵塞面积占外涵道流通面积比例大、制造精度低、装配性差、首次装配周期长、部分管路接头可靠性低、变形漏气等问题。采用六西格玛设计(DFSS)方法进行了优化设计。通过项目实践，达到了改进设计的预期目标。同时，将DFSS设计方法引入到航空发动机的管路设计过程中，为DFSS方法的后续应用积累了有益的经验。

第一，精心策划，有效组织，为学习和实践DFSS方法创造有利条件

DFSS法是一种全新的设计方法。与传统的航空发动机设计方法相比，在流程和具体的分析方法和工具上有显著的区别。DFSS方法在工程优化设计中的应用本身就是一个学习和实践新方法的过程。为了走好这个过程，从项目选择、人员组织等方面进行了精心的策划和组织。，为学习和实践活动创造了有利条件。

在项目选题方面，精心选择了航空发动机管路设计的典型结构，具有相对复杂的设计约束，便于发挥DFSS方法的优势，同时又是科研中急需解决的设计问题，具有投入更多精力进行研究的应用价值。

在人员组织上，采用绿带学员(骨干)和黄带学员(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；多专业成员参与的DFSS多功能团队保证了应用实践的有效和顺利开展；在具体的人员搭配上，青少搭配，让团队既有经验又有活力。

第二，齐心协力，稳步前进。DFSS多功能团队活动有效地支持了优化设计过程。

按照五级进气管优化设计项目组建的多功能团队，主要由发动机总体结构及性能设计、“六字”设计、制造、装配、试验工艺设计、管理等专业人员组成。在项目开发过程中，多次组织多功能团队活动。团队成员从各自领域提出五级风道优化设计的要求，积极参与质量功能开发、方案筛选和评分等工作，保证了评分的客观性，有效支持了活动的开展。

第三，循序渐进，精益求精，DFSS方法和工具的应用使优化设计取得实效。

在五级进气管的优化设计中引入了识别→概念→设计→优化→验证(ICDOV)的技术路径(图1)。针对某型发动机原五级进气管存在的问题，在优化设计过程中综合运用相关方法和工具，规范了五级进气管的优化设计过程，使设计的每一步都有明确的输入要求，并能得到准确的输出结果，从而保证最终的设计结果能满足预定的客户要求。

在识别阶段，进行了五级风管优化设计的客户和客户需求识别(VOC分析)，通过一级质量功能展开(QFDⅰⅰ)明确了重要的技术要求，确定了项目目标和设计目标。

在概念阶段，生成五阶段风道优化设计的概念方案。进行了风道五级重要功能识别(QFD ⅱ)和重要部件识别(QFD ⅲ)，将技术要求进一步转化转移到功能要求和结构要求，进行了系统边界分析、预风险分析和故障树分析等初步可靠性分析。

在设计阶段，进行了重要设计参数的识别(QFDⅳⅳ)和结构件的建模与设计。通过管道形状的重新设计，改善了五级风道的堵塞情况；通过夹具和支架的改进设计，改善了五级风道的装配；通过管接头的重新设计，提高了其可靠性。开展了面向制造和装配设计原则符合性检查的可靠性和维修性设计准则符合性检查，促进了设计质量的提高。对硬件进行FMECA分析，预测可能出现的故障，有针对性地进行改进。构建零件记分卡和工艺记分卡，利用相似结构的加工数据进行统计，以此来估计优化后的五级排气管加工的六西格玛水平。

在优化阶段，通过IDEF建模找到影响通道堵塞的关键控制因素，并进行试验设计。根据实验设计结果，优化了导管的设计参数，进一步减小了管道对通道堵塞的影响。

在验证阶段，对优化设计的结果进行了计算和评估，统计了优化后的五级风道的首次安装时间，并通过动作应力试验初步验证了安全性。编制、签发相关图纸和文件，并完成工程移交。

通过DFSS设计方法在五级尾水管优化设计项目中的应用，最终管道设计达到了降低流道堵塞比、缩短首次组装时间、提高管道可靠性的目的。

第四，提前介入，全程关注。DFSS方法实现了六大特征与过程设计和结构设计过程的整合。

通过“六性”设计师和流程设计师参与多功能团队活动，提前介入“六性”和流程；通过“六大特性”和工艺需求的呈现、转化和传递，以及设计过程中嵌入的功能分析、故障树分析、FMECA分析、面向制造和装配的设计原则检验等环节，实现了“六大特性”与工艺设计、产品结构设计过程的融合。设计过程始终有效保证了对六大特性和工艺的关注，提高了五级风道优化设计结果的可靠性，提高了其制造和装配的可制造性。

目前，五级进气管的改进设计已应用于某型发动机，改进设计过程中引用的DFSS方法也可推广应用于发动机的类似结构设计。