材料成形穩(wěn)健設(shè)計方法分析

高佳偉,林 偉,張文瓊

(廈門大學嘉庚學院 機電工程系,福建 漳州 363105）

1 穩(wěn)健設(shè)計方法概述

上個世紀90年代，世界各工業(yè)發(fā)達的國家指出優(yōu)化設(shè)計是提升產(chǎn)品質(zhì)量的根本手段，進而轉(zhuǎn)變了產(chǎn)品制造理念，將產(chǎn)品制造的重點由產(chǎn)品的檢驗與生產(chǎn)過程中控制轉(zhuǎn)移到了產(chǎn)品的質(zhì)量設(shè)計。其中穩(wěn)健設(shè)計作為一種具有較高性價比的設(shè)計方法，其對產(chǎn)品生產(chǎn)過程中存在的各種誤差與干擾因素進行了充分的考慮，對于提高產(chǎn)品性能、質(zhì)量以及成本控制有著十分重要的意義。

穩(wěn)健設(shè)計又稱為魯棒設(shè)計，其目的是為了保證產(chǎn)品在生產(chǎn)制造時出現(xiàn)參數(shù)變差或是在規(guī)定壽命內(nèi)發(fā)生結(jié)構(gòu)老化和變質(zhì)的情況下仍能夠保證其性能的穩(wěn)定性。關(guān)于穩(wěn)健設(shè)計的另一種表述為：產(chǎn)品的設(shè)計在受到不同干擾因素的影響下仍能夠保證穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，或是高質(zhì)量、高性能的產(chǎn)品的制造能夠通過廉價的零部件的組裝來實現(xiàn)，就可以表明該產(chǎn)品的設(shè)計是穩(wěn)健的。

穩(wěn)健設(shè)計具有針對性與復雜性，其通過尋找不同不確定因素波動變化敏感度較低的特性來實現(xiàn)設(shè)計，在設(shè)計中對不同的波動變化進行了細致的分析與考慮，根據(jù)設(shè)計的參數(shù)，來保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能指標接近目標值并保持穩(wěn)定，進而為設(shè)計方案的可靠性與穩(wěn)定性提供強有力的保障。與普通優(yōu)化設(shè)計相比，穩(wěn)健設(shè)計的不同之處在于其并非尋求設(shè)計對象性能指標的最優(yōu)值，而是以接近目標值但具有較小的波動的設(shè)計值為設(shè)計目標。此外，穩(wěn)健設(shè)計注重對目標與約束的穩(wěn)健性的控制。其不僅對設(shè)計目標的各種變量波動變化的敏感度提出了更高的要求，就算各種變量存在一定的波動，但也在實現(xiàn)規(guī)定的設(shè)計目標波動變化的允許范圍之內(nèi)，即設(shè)計目標具有的穩(wěn)健性；同時穩(wěn)健設(shè)計要求設(shè)計及其變量處于波動變化的情況下仍能保證設(shè)計點位于可行域內(nèi)，即指約束的穩(wěn)健性。

現(xiàn)階段穩(wěn)健設(shè)計方法主要分為兩種，即基于經(jīng)驗或部分經(jīng)驗的設(shè)計方法與基于工程模型并結(jié)合了優(yōu)化技術(shù)的穩(wěn)健設(shè)計法。前者屬于傳統(tǒng)的穩(wěn)健設(shè)計方法，其主要包括3次設(shè)計方法、響應面法、雙響應面法以及廣義模型法。而后者成為工程穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計方法，其主要有容差模型法、隨機模型法、容差多面體法、靈敏度法、基于成本-質(zhì)量模型的穩(wěn)健設(shè)計法等。從本質(zhì)意義上來講，該方法通過數(shù)學方式詮釋了三次設(shè)計方法，并借助優(yōu)化計算提前控制了產(chǎn)品的質(zhì)量性能。

目前，許多工業(yè)國家各個領(lǐng)域在產(chǎn)品質(zhì)量的提升與改進方面廣泛采用穩(wěn)健設(shè)計方法，包括電子、機械、農(nóng)業(yè)、化工等，并取得了卓越的成績。其中美國和日本是針對穩(wěn)健設(shè)計展開研究與應用最早的兩個國家，并且以此使社會經(jīng)濟效益得到大幅度增加。而我國穩(wěn)健設(shè)計研究的起步較晚，上世紀80年代，國內(nèi)針對3次設(shè)計法展開了研究，并取得了有關(guān)部門的高度重視。到了1985年，有關(guān)穩(wěn)健設(shè)計的系統(tǒng)性研究才正式開始并出現(xiàn)在相關(guān)資料上。

2 材料成形穩(wěn)健設(shè)計方法的應用

2.1 板料成形中穩(wěn)健設(shè)計方法的應用

板料成形具有相對成熟的理論與簡單的工藝，并且仿真技術(shù)的起步較早，現(xiàn)階段板料成形中穩(wěn)健設(shè)計的應用相對廣泛。

板料成形穩(wěn)健設(shè)計研究最早于1996年提出，研究人員將壓邊力、摩擦系數(shù)以及壓邊圈面積作為可控因素，將材料拉伸強度、屈服強度、各向異性指數(shù)作為噪音因素，并在汽車沖壓件的穩(wěn)健設(shè)計中引用田口與響應面法，對顯著因素進行分析，使穩(wěn)健設(shè)計解得以優(yōu)化。

而我國在板料成形穩(wěn)健設(shè)計方法的應用方面有復合設(shè)計的方法，通過沖壓仿真技術(shù)，獲取沖壓件質(zhì)量評價指標與影響因素的回歸公式，并通過實驗對公式的準確性與設(shè)計方法的可行性進行證明，然后以此實現(xiàn)沖壓成形過程的穩(wěn)健設(shè)計，進而使沖壓成形過程的穩(wěn)健設(shè)計解得以確定。又或者在V形件的穩(wěn)健設(shè)計中，將有限元分析法與田口法相結(jié)合，找到影響其沖壓加工穩(wěn)健性的工藝參數(shù)，并確定能夠保證穩(wěn)定性的建模參數(shù)組合，通過相應軟件使沖壓件的有限元仿真模型得以建立，然后借助田口法分析V形件加工建模參數(shù)的穩(wěn)健設(shè)計，進而使其沖壓加工穩(wěn)健設(shè)計結(jié)果得以確定，最后借助實例進行該方法的可行性。這些有關(guān)板料成形中穩(wěn)健設(shè)計方法的應用使板料成形制品的質(zhì)量穩(wěn)定性得以提高，并且有效控制了成本與產(chǎn)品廢品率，對于產(chǎn)品質(zhì)量的提高有著重要的意義。

2.2 金屬熱成形中穩(wěn)健設(shè)計方法的應用

與板料成形相比，金屬熱成形更具復雜性與系統(tǒng)性，在產(chǎn)品設(shè)計中存在較多影響因素，同時板料成形的產(chǎn)品質(zhì)量評價也比其簡單，因此，在鑄造與鍛造方面的穩(wěn)健設(shè)計方法應用相對較少。以仿真技術(shù)與響應面法的結(jié)合為例，Repalle等對鍛造過程中產(chǎn)品、材料、工藝條件等因素的波動進行了考察，并結(jié)合該技術(shù)實現(xiàn)了鍛造工藝參數(shù)的穩(wěn)健設(shè)計。目前，計算機仿真技術(shù)得到了巨大的發(fā)展，為鑄造與鍛造等金屬熱成形中穩(wěn)健設(shè)計方法的應用提供了更有利的技術(shù)手段，穩(wěn)健設(shè)計方法必然得到更加廣泛的應用。

2.3 塑料注射成形中穩(wěn)健設(shè)計方法的應用

注塑成形具有一定的復雜性，涉及到的學科較多，例如流變學、高分子化學、傳熱學等，塑件質(zhì)量受到多且復雜的因素的影響，并且在產(chǎn)品設(shè)計中波動因素的定義、分析與測量來源存在較大的難度，產(chǎn)品質(zhì)量與不同影響因素的關(guān)系的數(shù)學模型的建立也比較困難，同時穩(wěn)健設(shè)計方法對實驗提出的要求也不好滿足，可見注塑成形中穩(wěn)健設(shè)計方法的應用存在一定的難度。我國研究人員在注塑成形設(shè)計中提出了穩(wěn)健設(shè)計模型，采用穩(wěn)健設(shè)計降低塑件質(zhì)量受注塑成形工藝條件、操作條件的變化波動的影響，然而目前這一研究并不成熟。隨著注塑成形仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，仿真技術(shù)具有明確各種參數(shù)的功能，能夠?qū)κ艿讲煌降目煽匾蛩嘏c波動因素影響的注塑制品質(zhì)量進行模擬，進而可以為注塑成形穩(wěn)健設(shè)計方法應用的可行性提供依據(jù)。

3 結(jié)束語

在材料成形的過程中，制品質(zhì)量會受到不同誤差的波動而受到影響，而穩(wěn)健設(shè)計能夠使產(chǎn)品的穩(wěn)定性得以提升，同時具有控制產(chǎn)品成本的作用，因此對于現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計制造有著十分重要的意義。我們應針對此進行深入研究與細致的分析，提出更加科學合理的方法，以保證設(shè)計方案的穩(wěn)健性與可行性，進而為產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量提供充分的保障。

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