呂少鋒， 謝明聰， 王 鏑， 宋思川

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 引言

隨著汽車市場競爭的加劇，汽車公司不斷提升產(chǎn)品的整體質(zhì)量，以滿足客戶日益增長的對產(chǎn)品性能和外觀的需求.產(chǎn)品質(zhì)量的提高、設(shè)計(jì)創(chuàng)新和成本節(jié)約，90%是在設(shè)計(jì)開發(fā)階段決定的，因此必須在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)階段引入新技術(shù)、新理論和新方法[1].在實(shí)際的工程問題中，不可避免地會(huì)遇到一些不確定的因素，而許多優(yōu)化策略無法直接用數(shù)學(xué)模型來體現(xiàn)這些不確定的因素，因此導(dǎo)致結(jié)果分析錯(cuò)誤或不全面.所以必須從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度出發(fā)，通過在設(shè)計(jì)之初就建立統(tǒng)計(jì)學(xué)模型來控制隨機(jī)因素并給出合理的解決方案[2].

我國對穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的研究相對較晚，卻發(fā)展迅速，尤其在汽車行業(yè)中獲得了較多推廣，且取得了較好的效果.如文獻(xiàn)[1]詳細(xì)闡述了六西格瑪設(shè)計(jì)的過程和特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)案例，分析如何完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)質(zhì)量的創(chuàng)新.如文獻(xiàn)[3]從影響關(guān)門能量的可能因素入手，找到可控以及主要影響因素，并從車門密封條系統(tǒng)入手，建立CAE分析模型，通過DFSS設(shè)計(jì)手段優(yōu)化車門密封條，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化車門關(guān)門能量的目的，并實(shí)現(xiàn)車門系統(tǒng)關(guān)門能量的穩(wěn)定性.

蓄電池是汽車系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的子系統(tǒng)，肩負(fù)著為汽車電氣系統(tǒng)提供能源的重任，其能否正常工作直接影響車輛能否正常啟動(dòng).蓄電池通過支撐系統(tǒng)連接在前縱梁上，因此蓄電池支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要.本文將仿真分析與DFSS理論相結(jié)合，應(yīng)用到支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)化.

1 穩(wěn)健性設(shè)計(jì)理論

穩(wěn)健性是指因素發(fā)生微小變差而對因變量影響的不敏感程度[4～5].穩(wěn)健性設(shè)計(jì)是通過調(diào)整設(shè)計(jì)變量及控制其容差使可控與不可控因素(噪聲)當(dāng)與設(shè)計(jì)值有變差時(shí)仍能保證產(chǎn)品質(zhì)量的一種方法[6～7].穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)通過減少和控制目標(biāo)函數(shù)響應(yīng)的波動(dòng)，使目標(biāo)函數(shù)響應(yīng)均方差降低，進(jìn)而來實(shí)現(xiàn)“均值達(dá)到目標(biāo)”和“均方差最小化”的目的[8].

基于“田口方法”的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的重要作用，將質(zhì)量的關(guān)注點(diǎn)由后期的制造階段轉(zhuǎn)移到設(shè)計(jì)階段.它是基于損失模型函數(shù)的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，主要通過對信噪比(S/N)的正交試驗(yàn)等進(jìn)行分析[9].

試驗(yàn)設(shè)計(jì)是在整個(gè)設(shè)計(jì)空間內(nèi)進(jìn)行合理的安排，選取有限的能盡可能反應(yīng)設(shè)計(jì)空間特性的樣本點(diǎn).正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法是離散優(yōu)化的基本方法，尤其適用于多組合方案尋優(yōu)問題.正交表是試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本工具，又稱DOE矩陣.正交試驗(yàn)步驟:首先確定試驗(yàn)因素的數(shù)量以及各因素變化的水平;其次分析各因素之間是否存在交互作用，分清主次關(guān)系;再次確定需要進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)，并選用適合的正交表.最后進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，計(jì)算平均響應(yīng)值與方差，確認(rèn)最終的優(yōu)化結(jié)果.

2 因素的選擇和評價(jià)指標(biāo)

影響支撐系統(tǒng)性能的因素有:支撐系統(tǒng)的外觀尺寸，如圖1所示，支撐系統(tǒng)的材料特性，其中支撐系統(tǒng)的材料特性由于制造精度、計(jì)算誤差等被定義為噪音因素，因此參數(shù)圖如圖2所示.控制因子有:支架兩腿之間夾角(A)、支架的材料(B)、托盤的材料(C)、支架的料厚(D)、托盤的料厚(E)、Y向長度(F)、Z向高度(G)以及支架寬度(H).噪音因子為支架和托盤材料的屈服強(qiáng)度、支架和托盤的料厚變化.

圖1 支撐系統(tǒng)外觀尺寸

圖2 設(shè)計(jì)參數(shù)圖

圖3 蓄電池支撐系統(tǒng)示意圖

根據(jù)前期調(diào)研設(shè)計(jì)，采用如圖3所示的蓄電池支撐系統(tǒng)布置方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).根據(jù)客戶反饋和工程認(rèn)定，蓄電池在車輛行駛過程中常出現(xiàn)的問題有:振動(dòng)大，脫離約束系統(tǒng)，出現(xiàn)疲勞裂紋等.根據(jù)以上問題及企業(yè)自身特點(diǎn)選定評價(jià)指標(biāo)有如下四個(gè):(1)蓄電池支撐系統(tǒng)的整體模態(tài)，期望得到較大的模態(tài)特性;(2)系統(tǒng)的受碰撞力，期望得到較大的受碰撞力;(3)應(yīng)力，期望得到較小的應(yīng)力值響應(yīng);(4)重量和成本，選擇望小特性.

本文以實(shí)際工程中常用的材料厚度和外觀尺寸以及蓄電池總成所在前艙的布置空間限制作為設(shè)計(jì)變量的取值范圍設(shè)計(jì)依據(jù).控制因子和水平見表1.噪音因子和水平見表2.

表1 控制因子和水平

因素A有兩個(gè)水平，其他因素皆有三個(gè)水平.

表2 噪音因子和水平

3 穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)

為確定各個(gè)設(shè)計(jì)變量水平的變化對支撐系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響，須構(gòu)造一個(gè)關(guān)于設(shè)計(jì)變量的正交試驗(yàn)列表，將各設(shè)計(jì)變量值的組合方案進(jìn)行CAE仿真分析，結(jié)果見表3.因?yàn)橘|(zhì)量和成本同樣是企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，所以將各個(gè)方案的重量和成本也作為本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的響應(yīng)，對重量和成本以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)作了初步的核算.

由CAE分析結(jié)果得知，支撐系統(tǒng)的最大應(yīng)力發(fā)生在電池支架的Y方向上，所以本文關(guān)注支架Y方向的應(yīng)力，選擇應(yīng)力的望小特性，應(yīng)力不應(yīng)超過屈服極限.易知，碰撞最弱區(qū)域?yàn)楣潭⊕煦^，由材料的抗拉強(qiáng)度乘以截面積可得最弱處材料對于碰撞力的承受能力是29kN，表3可知，支撐系統(tǒng)碰撞力遠(yuǎn)在29kN以下，所以大于碰撞力的要求，本文不再分析碰撞力的影響.因此只關(guān)注模態(tài)、應(yīng)力、重量和費(fèi)用四個(gè)響應(yīng).

表3 正交試驗(yàn)計(jì)劃和原始數(shù)據(jù)

3.2 信噪比和穩(wěn)健性分析

為明確各變量對蓄電池支撐系統(tǒng)性能影響程度，進(jìn)行了方差分析，計(jì)算出設(shè)計(jì)變量不同水平的各種組合在噪聲因子影響下的信噪比和輸出平均值，繪出信噪比和平均值的點(diǎn)圖，從而找出設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)化組合.信號噪音比(S/N)是測量需要的輸出響應(yīng)和非需要的輸出響應(yīng)之比.它是穩(wěn)健性的相對衡量.其計(jì)算公式見下:

式中，S/N為信號噪聲比;β為系統(tǒng)輸出的平均值;σ為系統(tǒng)輸出偏差.

最優(yōu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該是在給定輸入能量的情況下，使輸出最大，并且輸出變化小;應(yīng)將需要的輸出和不需要的輸出之比最大化;應(yīng)該有高的β和變差小的σ.

模態(tài)、應(yīng)力、重量、費(fèi)用的信噪比圖和β值點(diǎn)圖見圖4－圖7.

信噪比和β的平均值點(diǎn)圖中的A1，A2顯示出控制因子A在水平1和2的影響，從這些點(diǎn)圖可獲得設(shè)計(jì)因子如何影響設(shè)計(jì)的變差和效率的訊息.圖4中的A2說明支架增加角度對于模態(tài)是有幫助的;B，C說明材料對于模態(tài)的影響不明顯;D3說明料厚越厚模態(tài)越好;E3說明托盤本身厚度對模態(tài)影響不明顯;F1，G1說明電瓶重心距離縱梁越近模態(tài)越好;H說明電池在順著縱梁方向的調(diào)整對模態(tài)影響不大.

表4 綜合評分結(jié)果

表5 優(yōu)化前后信噪比和β均值對照表

A1說明支架增加角度對于Y向應(yīng)力是不利的;B3說明材料對于耐久改善明顯;C說明材料只能改變零件本身的耐久，對其他零件是沒有幫助的;D3說明材料越厚耐久越好;E3說明托盤本身對應(yīng)力影響不明顯;F說明電瓶Y向重心到縱梁距離對于Y向應(yīng)力不明顯;G說明Z向重心到縱梁的距離越小，對于Y向應(yīng)力有改善;H說明電池在順著縱梁方向的調(diào)整對耐久影響不大.

從結(jié)果上看，除去材料對于重量所有的因素都有影響.

從結(jié)果上看，材料越厚強(qiáng)度越高，費(fèi)用也越高.

由于以上結(jié)果指標(biāo)之間存在矛盾，結(jié)合實(shí)際情況提出綜合評分法進(jìn)行最優(yōu)方案選擇.評分標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合實(shí)際情況如下處理:

(1)求出每項(xiàng)平均值，如達(dá)到平均標(biāo)準(zhǔn)則為10分;

圖4 信噪比、均值圖－模態(tài)

圖5 信噪比、均值圖－應(yīng)力

圖6 信噪比、均值圖－重量

(2)優(yōu)于平均值每10%增加1分;

(3)由于應(yīng)力存在較多不符合項(xiàng)，所以以滿足要求10分，每提高10%增加1分.低于要求項(xiàng)在此規(guī)則中再減10分便于剔除.結(jié)果見表4.

分析綜合分?jǐn)?shù)的信噪比和平均值如圖8所示，從評分結(jié)果可以看出最優(yōu)的參數(shù)組合是:A2B2C1D2E1F1G1H1.

3.3 最優(yōu)設(shè)計(jì)確認(rèn)

優(yōu)化前后綜合得分的信噪比和β均值的預(yù)測值與最終確認(rèn)值見表5.

由表5可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后，綜合得分的信噪比的值從初始值的31.90上升到32.77，β均值從優(yōu)化前的39.38上升到43.50，通過穩(wěn)健性設(shè)計(jì)優(yōu)化后，蓄電池支撐系統(tǒng)的整體性能得到提升和綜合優(yōu)化.

優(yōu)化后支撐系統(tǒng)的模態(tài)值為35.7Hz，滿足震動(dòng)小，剛度高的要求;碰撞力為16.89kN，材料提供保持力(46.9kN)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碰撞力(16.89kN);優(yōu)化的最大應(yīng)力值為333MPa，材料最低承受能力(340MPa)大于零件應(yīng)力(333MPa).

4 結(jié)論

汽車零部件在設(shè)計(jì)與制造過程中，存在著很多不確定性噪音因素，噪音的波動(dòng)將會(huì)影響零件的性能進(jìn)而影響整車的性能.若忽視這些噪音因子，零件的設(shè)計(jì)穩(wěn)健性差，達(dá)不到的優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo).因此在汽車及零部件的設(shè)計(jì)與制造過程中，必須要考慮噪音因素的影響，進(jìn)行穩(wěn)健性設(shè)計(jì)與優(yōu)化.

(1)本文研究了穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)在汽車零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以蓄電池支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為研究對象，運(yùn)用正交試驗(yàn)等工具進(jìn)行穩(wěn)健性設(shè)計(jì)和優(yōu)化.

圖7 信噪比、均值圖－成本

圖8 信噪比、均值圖－綜合

(2)優(yōu)化結(jié)果表明，對蓄電池支撐系統(tǒng)的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)取得了較好的效果，不僅優(yōu)化了支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而且節(jié)省了重量，降低了費(fèi)用成本.本文還設(shè)計(jì)了一種綜合評估矛盾事件的方法，對以后的汽車設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義.

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