机械可靠性稳健优化设计的研究与展望

吕梦圆 朱博点 王宏斌

摘 要： 本文对当前可靠性稳健优化设计的各种方法作了总结，介绍了其在国内外机械行业中的研究状况，简要的说明了相关的技术优势，并对今后机械行业中稳健设计的研究方向提出了新的观点。

关键词： 可靠性稳健设计；三次设计法；容差多面体法；容差模型法；双响应曲面法；随机模型法；综述

引言

稳健设计起源于上世纪70年代末80年代初日本学者田口玄一创立的三次设计法。稳健设计能使产品的性能对在制造期间的变异或使用环境的变异不敏感，并使产品在其寿命周期内，不管其参数、结构发生偏移或老化，都能够持续可靠地工作的一种设计方法。而可靠稳健性设计便是稳健设计理念在概念上的延伸。

1 引言

机械产品的可靠性稳健设计是在可靠性设计、优化设计、灵敏度设计和稳健设计的基础上进行可靠性稳健设计，把可靠性灵敏度溶入优化设计模型之中，将可靠性稳健设计归结为满足可靠性要求的多目标优化设计问题。在机械产品的设计中，正确地应用可靠性稳健设计的方法，可以使产品在经受各种因素的干扰下，都能保持其可靠性的稳定，以使产品的可靠性对设计参数的变化不敏感，提高产品的安全可靠性和鲁棒性。稳健设计发展至今，其思想已发展为在满足系统性能优化，性能偏差最小化的同時，还必须满足优化设计中的性能优化，满足约束中稳健设计问题，即必须使得目标函数在满足约束条件的情况下，产品性能对设计变量发生扰动时并不敏感或敏感性很小。

以下为具体成果.

2 国外研究成果及评价

2.1三次设计法

20世纪70年代，以日本田口玄一博士为首的一批研究人员，把由英国学者.RAFisher等为进行多因素的农田试验发展起来的试验技术引入日本。开发了应用正交表的技术，合理分析试验结果，创立了三次设计法。

三次设计即为：系统设计（第一次设计），参数设计（第二次设计），容差设计（第三次设计）。通过用正交表对设计参数及其所设定的容差大小安排进行试验，模拟设计参数和噪声参数对产品质量的干扰，并用望目损失函数的大小作为衡量产品质量特性的稳定性指标，以确定设计变量值及其容差的合理搭配，确保所生产的产品获得质量特性的稳定性。

特点如下：（1）此法是以正交试验为基础，因而影响因素较多时其所需的试验次数较多，且由于其参数设计的因素组合是在已经确定的几个显著水平的组合，使得事先就必须要知道最优解的大致范围或水平（而这点有时很难办到），故而试验成本可能较大。（2）此法所处理的因素均假设为：正态分布、互相独立的离散变量，且涉及的变量数相对较少。（3）相对来说此法步骤较繁琐且效率不是很高。

2.2容差多面体法

容差多面体法是由Mihcael&siddall;于1981年提出，他们根据所给变量加工公差越大时产品成本越低的指导思想，设定除设计变量具有公差外其余变量均认为纯理论值，即只考虑设计变量的容差而不考虑噪声因素变差的影响。特点如下：（1）此法的优点可以求解有约束优化问题。（2）此法比较适用于容差设计问题，尤其最坏情况的容差设计。（3）由上述分析可知此法只考虑到了设计变量的变差而没有考虑到噪声变量的变差作用

2.3容差模型法

2.3.1容差模型法原理

容差模型法又称变差传递法，他是由Pakrisnon等人于1993年提出的。由于产品的结构参数、物理或力学参数的设计值，与制造后和使用中的实际值肯定是有差异的，这种差异称为设计变量和噪声因素的变差。这种变差都会传递给设计函数（准则函数和约束函数）从而引起质量指标和约束的变差。其特点：（1）此法不但比容差多面体法更接近实际，而且对田口方法而言，可以说是一个很好的数学表达。（2）此法未能克服田口方法对变量要求服从正态分布的限制。为了更好地对比容差多面体法与容差模型法的不同，

2.4双响应曲面法

Myers和Carer在1973年提出了双响应曲面法。该法不使用田口方法中的信噪比和二步优化概念，而是采用两个曲面来实现田口的目标，即一个曲面拟合质量特性的均值，另一个曲面拟合其方差.然后通过适当的试验设计，运用试验结果数据拟合出所要研究的质量特征值（即响应）的均值模型和方差模型

2.5随机模型法

它是将优化技术、概率论和数理统计、计算机技术，用于处理含有随机因素工程问题的一种方法。其主要考虑可控和不可控因素的随机性其特点：（1）此法考虑了可控因素和不可控因素的随机性，故此法的实际意义较大。（2）但此法中的随机模型的建立和计算都较复杂，在实际中往往不得不采用近似的数据或算法，从而降低了其计算结果的精度。

3 应用领域

经过几十年的迅猛发展，可靠性技术己进入了一个崭新的阶段，其研究已遍及电子、机械、化工、自动化及航空、航天等领域。从最复杂的宇宙飞船到日用的洗衣机、冰箱、复印机和汽车以及到细小的可置于人体内的心脏起搏器，都应用了可靠性技术。产品的可靠性己成为衡量产品质量的重要指标之一。随着可靠性技术的发展，应用可靠性技术的方法和手段也层出不穷，引起了各国学者的极大关注。

参考文献

[1]邱继伟，张瑞军，丛东升，郭楠.机械零件可靠性设计理论与方法研究[J].工程设计学报，2011，18（06）：401-406+411.

[2]张义民.机械可靠性设计的内涵与递进[J].机械工程学报，2010，46（14）：167-188.[3]周峰.机械稳健可靠性优化设计[D].太原科技大学，2011.

[3]官德娟，刘佳，杨薇. 稳健设计研究的发展[J]. 机械技术史，2002，（00）：432-43.