直升机通用质量特性与性能综合权衡技术研究

赵坤朋，宋永磊

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

新型装备的性能与通用质量特性要求多，设计参数多，耦合关系复杂，而且性能与通用质量特性的实现存在耦合和冲突，在新型装备通用质量特性与性能要求的实现过程中，需针对研制过程中产生的多技术方案(包括原方案和改进方案)进行权衡比较和择优，最终保证整个研制过程按优化方向发展。虽然装备研制中通用质量特性与性能多要素综合权衡的需求旺盛，但其数据来源和形式多样，且由于预测方法的局限性使得参数的评估具有一定的不确定性，导致指标“偏软”，难以有效影响综合权衡，造成目前的决策过多地依赖于以往型号的经验，没有真正地做到权衡决策的科学性[1]。

在型号的综合设计过程中，对存在的多个设计方案，基于其对通用质量特性与性能要求的满足程度，对其进行定量的评价一直是综合权衡过程的重难点。本论文基于理想解法[2]，首次提出了直升机型号通用质量特性与性能综合权衡方法，使各类通用质量特性参数以及功能特性可在相同的尺度下参与决策。理想解法是从几何角度出发，通过借鉴多目标决策问题中的理想解和负理想解的思想，选择出与理想方案的差距最小并且与负理想方案差距最大的方案为最优方案，通过这种方法，可实现功能与通用质量特性的多人多专业群体决策。

1 综合权衡技术框架

对于某个系统或成品，为了实现其功能和性能，设计师提出了若干个设计方案，需要分别从重量、可靠性、维修性、强度、安装空间、加工工艺、技术成熟度、进度、成本等方面对设计方案进行评价，并选择出最佳的方案。

1.1 利用QFD技术确定关键决策属性

QFD是一种顾客需求驱动的产品设计和质量保证的技术，通过使用QFD，使产品设计开发的过程围绕实现顾客的需求来展开。QFD技术的重点是准确理解顾客的需求，关键是建立QFD质量屋(House of quality, HoQ)，给以输入信息，通过分析评价得到输出信息，从而实现一种需求转换。典型的质量屋[3]如图1所示。

①顾客需求及其重要度，是一个m行一列的列向量，其中m表示有m项顾客需求。顾客需求的重要度表示各顾客需求在产品设计中的重要程度，用来衡量某项顾客需求在设计中优先考虑的顺序。

②技术特征矩阵，是一个一行n列的行向量，其中n表示技术特性的个数，表示为了满足顾客需求而采取的一系列方法和措施。

③顾客需求与技术特征关系矩阵，表明了顾客需求与工程技术特征之间的关系，即各项技术特性对相应的顾客需求的贡献及相关程度。通常利用评分的方式得到，相关程度强用●表示，并赋予其值为9分；相关程度为中等用○表示，赋予其值为3分；弱相关用▲表示，赋值为1分。

④自相关矩阵，表示各工程特征之间的相关程度，表征了改善某一项技术特征对其它技术特征的影响。

⑤技术特征决策，即技术特征最终重要度。

通过HoQ的建立过程，通过定性与定量的分析，得到了关键的技术特征，即关键的决策属性。

图1 质量屋

1.2 建立决策矩阵

假设设计方案有m个，通过QFD技术确定的关键决策属性有n个，通过相关专业的专家对不同设计方案关键决策属性进行评价，并量化为评价值，建立决策矩阵[4]如下：

(1)

式中，X={x1，x2，…,xm}—方案集；A={a1，a2，…，an}—衡量各决策方案的关键决策属性集；rij—决策方案xi对属性aj的评价值。

1.3 解决步骤

步骤1：规范由各方案的性能与RMS属性指标构成的决策矩阵R=[rij]，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n，由于度量设计方案的各个性能与RMS属性评价指标均为确定型的点值指标，总的来说，可以分为成本型属性指标和效益型属性指标，其规范化方法如下：

1) 效益型属性指标，即正向指标(越大越好)

(2)

2) 成本型属性指标，即逆向指标(越小越好)

(3)

归一化决策矩阵B：

B=[bij]，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n

(4)

(5)

步骤3：确定性能与RMS综合决策的正理想方案X+和危害性负理想方案X-：

正理想方案X+为：

负理想方案X-为：

步骤4：分别计算每个参与决策的方案xi到正理想方案X+和负理想方案X-的Hamming[5]距离为：

(6)

i=1,2,…,m,j=1,2,…,n

(7)

步骤5：计算每个参与决策的方案xi到负理想方案X-的相对贴近度：

(8)

步骤6：按di值从大到小对每个参与决策的方案进行排序，若di值最大，则可认为相应的决策方案最优。

2 案例研究

某型机鱼叉液压系统交付用户后，用户反馈鱼叉液压系统存在附件拆装不便、维护性较差、可靠性低、重量大等问题，需要对其进行改进优化设计，以达到减小重量，提高产品的维护性和可靠性的目标。

设计目标：重量减轻7.1%；可靠性指标、维修性指标满足整机要求；主要部件满足强度设计要求。

2.1 确定关键决策属性

将顾客类别分为上级系统、下游环节以及约束。上级系统包括军代表、空勤、地勤，鱼叉系统、液压系统以及通用质量特性要求等，下游环节包括传动系统、电气系统、机电系统、机体结构，主机厂、试验单位、试飞单位等，约束包括标准、规范，质量部门，技术状态管理等。通过调研，得到顾客对于鱼叉液压系统的需求如表1所示。

表1 用户需求

续表1

对顾客需求进行整理并亲和，得到了6类顾客需求。综合考虑用户需求、技术要求、可靠性要求、经济性因素等要素，通过QFD技术，确定如下8种属性作为上述方案决策的指标：减轻的重量、可靠性、强度、安装空间、加工工艺、技术成熟度、进度以及成本。

2.2 建立决策矩阵

为了解决用户提出的问题，提出了以下三种设计方案。

方案一：鱼叉组合阀组件

采用集成化技术，对鱼叉液压系统部件中的鱼叉附件板组件的设计进行改进，图2为鱼叉附件板组件原设计图，图3为对鱼叉附件板重新集成后的改进方案。

图2 鱼叉附件板组件原设计图

方案二：左油箱与辅助控制阀集成

对原设计中的左油箱(图4)和辅助控制阀(图5)进行集成。

图3 鱼叉组合阀组件设计图

方案三：应急油箱与应急阀集成

对原设计中的应急油箱(图6)和应急阀(图7)进行集成。

综合考虑设计方案以及各方面专家的意见，得到上述三种方案的指标评分值，如表2所示。

表2 各集成方案的专家评分

注：各指标的评分范围为1-10

由表2中的专家评分可知，决策矩阵为：

(9)

对决策矩阵进行规范化，并对决策矩阵进行归一化处理，得到的归一化决策矩阵如下：

B=

2.3 求加权决策矩阵

考虑各方面专家的意见，得到8种指标的权重因子如表3所示。

表3 各指标的权重因子

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

(11)

求得加权决策矩阵：

2.4 计算每个参与决策的方案到负理想方案的相对贴近度

由加权决策矩阵得正理想方案：

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

(13)

负理想方案：

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

(14)

经计算，每个参与决策的方案到正理想方案和负理想方案的Hamming距离为：

各相对贴近度为：

d1=0.607,d2=0.567,d3=0.423

方案排序结果为d1>d2>d3，即方案一优于方案二，方案二优于方案三。

3 仿真结果验证

对鱼叉组合阀组件方案进行仿真分析，仿真结果如图8所示，结论如下：

图8 仿真结果对比

原设计方案中的鱼叉附件板组件的总重为11.604kg，而新方案鱼叉组合阀组件的总重为7.78kg，新方案达到了总体减重3kg的设计要求。此外，新的设计方案引入后，鱼叉组合阀组件的设计没有降低鱼叉液压系统的整体性能，并且新设计的方案也满足了系统对可靠性的要求。

4 结论

本文提出了基于理想解法的五性与性能综合权衡方法，解决了多方案决策中关键决策属性的归一化处理问题，充分考虑了各属性间的重要度排序，实现了新型装备综合设计过程中通用质量特性与性能的综合权衡，保证了研制过程的不断优化，为直升机关键系统、设备的多方案优选提供了一种既符合工程实际又效果良好的方法。