機(jī)械可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究與展望

呂夢(mèng)圓 朱博點(diǎn) 王宏斌

摘 要： 本文對(duì)當(dāng)前可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)的各種方法作了總結(jié)，介紹了其在國(guó)內(nèi)外機(jī)械行業(yè)中的研究狀況，簡(jiǎn)要的說明了相關(guān)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并對(duì)今后機(jī)械行業(yè)中穩(wěn)健設(shè)計(jì)的研究方向提出了新的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)；三次設(shè)計(jì)法；容差多面體法；容差模型法；雙響應(yīng)曲面法；隨機(jī)模型法；綜述

引言

穩(wěn)健設(shè)計(jì)起源于上世紀(jì)70年代末80年代初日本學(xué)者田口玄一創(chuàng)立的三次設(shè)計(jì)法。穩(wěn)健設(shè)計(jì)能使產(chǎn)品的性能對(duì)在制造期間的變異或使用環(huán)境的變異不敏感，并使產(chǎn)品在其壽命周期內(nèi)，不管其參數(shù)、結(jié)構(gòu)發(fā)生偏移或老化，都能夠持續(xù)可靠地工作的一種設(shè)計(jì)方法。而可靠穩(wěn)健性設(shè)計(jì)便是穩(wěn)健設(shè)計(jì)理念在概念上的延伸。

1 引言

機(jī)械產(chǎn)品的可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)是在可靠性設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、靈敏度設(shè)計(jì)和穩(wěn)健設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)，把可靠性靈敏度溶入優(yōu)化設(shè)計(jì)模型之中，將可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)歸結(jié)為滿足可靠性要求的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，正確地應(yīng)用可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)的方法，可以使產(chǎn)品在經(jīng)受各種因素的干擾下，都能保持其可靠性的穩(wěn)定，以使產(chǎn)品的可靠性對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的變化不敏感，提高產(chǎn)品的安全可靠性和魯棒性。穩(wěn)健設(shè)計(jì)發(fā)展至今，其思想已發(fā)展為在滿足系統(tǒng)性能優(yōu)化，性能偏差最小化的同時(shí)，還必須滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)中的性能優(yōu)化，滿足約束中穩(wěn)健設(shè)計(jì)問題，即必須使得目標(biāo)函數(shù)在滿足約束條件的情況下，產(chǎn)品性能對(duì)設(shè)計(jì)變量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)并不敏感或敏感性很小。

以下為具體成果.

2 國(guó)外研究成果及評(píng)價(jià)

2.1三次設(shè)計(jì)法

20世紀(jì)70年代，以日本田口玄一博士為首的一批研究人員，把由英國(guó)學(xué)者.RAFisher等為進(jìn)行多因素的農(nóng)田試驗(yàn)發(fā)展起來的試驗(yàn)技術(shù)引入日本。開發(fā)了應(yīng)用正交表的技術(shù)，合理分析試驗(yàn)結(jié)果，創(chuàng)立了三次設(shè)計(jì)法。

三次設(shè)計(jì)即為：系統(tǒng)設(shè)計(jì)（第一次設(shè)計(jì)），參數(shù)設(shè)計(jì)（第二次設(shè)計(jì)），容差設(shè)計(jì)（第三次設(shè)計(jì)）。通過用正交表對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)及其所設(shè)定的容差大小安排進(jìn)行試驗(yàn)，模擬設(shè)計(jì)參數(shù)和噪聲參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的干擾，并用望目損失函數(shù)的大小作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量特性的穩(wěn)定性指標(biāo)，以確定設(shè)計(jì)變量值及其容差的合理搭配，確保所生產(chǎn)的產(chǎn)品獲得質(zhì)量特性的穩(wěn)定性。

特點(diǎn)如下：（1）此法是以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，因而影響因素較多時(shí)其所需的試驗(yàn)次數(shù)較多，且由于其參數(shù)設(shè)計(jì)的因素組合是在已經(jīng)確定的幾個(gè)顯著水平的組合，使得事先就必須要知道最優(yōu)解的大致范圍或水平（而這點(diǎn)有時(shí)很難辦到），故而試驗(yàn)成本可能較大。（2）此法所處理的因素均假設(shè)為：正態(tài)分布、互相獨(dú)立的離散變量，且涉及的變量數(shù)相對(duì)較少。（3）相對(duì)來說此法步驟較繁瑣且效率不是很高。

2.2容差多面體法

容差多面體法是由Mihcael&siddall;于1981年提出，他們根據(jù)所給變量加工公差越大時(shí)產(chǎn)品成本越低的指導(dǎo)思想，設(shè)定除設(shè)計(jì)變量具有公差外其余變量均認(rèn)為純理論值，即只考慮設(shè)計(jì)變量的容差而不考慮噪聲因素變差的影響。特點(diǎn)如下：（1）此法的優(yōu)點(diǎn)可以求解有約束優(yōu)化問題。（2）此法比較適用于容差設(shè)計(jì)問題，尤其最壞情況的容差設(shè)計(jì)。（3）由上述分析可知此法只考慮到了設(shè)計(jì)變量的變差而沒有考慮到噪聲變量的變差作用

2.3容差模型法

2.3.1容差模型法原理

容差模型法又稱變差傳遞法，他是由Pakrisnon等人于1993年提出的。由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)、物理或力學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)值，與制造后和使用中的實(shí)際值肯定是有差異的，這種差異稱為設(shè)計(jì)變量和噪聲因素的變差。這種變差都會(huì)傳遞給設(shè)計(jì)函數(shù)（準(zhǔn)則函數(shù)和約束函數(shù)）從而引起質(zhì)量指標(biāo)和約束的變差。其特點(diǎn)：（1）此法不但比容差多面體法更接近實(shí)際，而且對(duì)田口方法而言，可以說是一個(gè)很好的數(shù)學(xué)表達(dá)。（2）此法未能克服田口方法對(duì)變量要求服從正態(tài)分布的限制。為了更好地對(duì)比容差多面體法與容差模型法的不同，

2.4雙響應(yīng)曲面法

Myers和Carer在1973年提出了雙響應(yīng)曲面法。該法不使用田口方法中的信噪比和二步優(yōu)化概念，而是采用兩個(gè)曲面來實(shí)現(xiàn)田口的目標(biāo)，即一個(gè)曲面擬合質(zhì)量特性的均值，另一個(gè)曲面擬合其方差.然后通過適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)設(shè)計(jì)，運(yùn)用試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)擬合出所要研究的質(zhì)量特征值（即響應(yīng)）的均值模型和方差模型

2.5隨機(jī)模型法

它是將優(yōu)化技術(shù)、概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，用于處理含有隨機(jī)因素工程問題的一種方法。其主要考慮可控和不可控因素的隨機(jī)性其特點(diǎn)：（1）此法考慮了可控因素和不可控因素的隨機(jī)性，故此法的實(shí)際意義較大。（2）但此法中的隨機(jī)模型的建立和計(jì)算都較復(fù)雜，在實(shí)際中往往不得不采用近似的數(shù)據(jù)或算法，從而降低了其計(jì)算結(jié)果的精度。

3 應(yīng)用領(lǐng)域

經(jīng)過幾十年的迅猛發(fā)展，可靠性技術(shù)己進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段，其研究已遍及電子、機(jī)械、化工、自動(dòng)化及航空、航天等領(lǐng)域。從最復(fù)雜的宇宙飛船到日用的洗衣機(jī)、冰箱、復(fù)印機(jī)和汽車以及到細(xì)小的可置于人體內(nèi)的心臟起搏器，都應(yīng)用了可靠性技術(shù)。產(chǎn)品的可靠性己成為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。隨著可靠性技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用可靠性技術(shù)的方法和手段也層出不窮，引起了各國(guó)學(xué)者的極大關(guān)注。

參考文獻(xiàn)

[1]邱繼偉，張瑞軍，叢東升，郭楠.機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)理論與方法研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2011，18（06）：401-406+411.

[2]張義民.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵與遞進(jìn)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（14）：167-188.[3]周峰.機(jī)械穩(wěn)健可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].太原科技大學(xué)，2011.

[3]官德娟，劉佳，楊薇. 穩(wěn)健設(shè)計(jì)研究的發(fā)展[J]. 機(jī)械技術(shù)史，2002，（00）：432-43.