材料成形穩健設計方法分析

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 穩健設計方法概述

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

穩健設計又稱為魯棒設計，其目的是為了保證產品在生產制造時出現參數變差或是在規定壽命內發生結構老化和變質的情況下仍能夠保證其性能的穩定性。關于穩健設計的另一種表述為：產品的設計在受到不同干擾因素的影響下仍能夠保證穩定的產品質量，或是高質量、高性能的產品的制造能夠通過廉價的零部件的組裝來實現，就可以表明該產品的設計是穩健的。

穩健設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設計，在設計中對不同的波動變化進行了細致的分析與考慮，根據設計的參數，來保證產品結構性能指標接近目標值并保持穩定，進而為設計方案的可靠性與穩定性提供強有力的保障。與普通優化設計相比，穩健設計的不同之處在于其并非尋求設計對象性能指標的最優值，而是以接近目標值但具有較小的波動的設計值為設計目標。此外，穩健設計注重對目標與約束的穩健性的控制。其不僅對設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，但也在實現規定的設計目標波動變化的允許范圍之內，即設計目標具有的穩健性；同時穩健設計要求設計及其變量處于波動變化的情況下仍能保證設計點位于可行域內，即指約束的穩健性。

現階段穩健設計方法主要分為兩種，即基于經驗或部分經驗的設計方法與基于工程模型并結合了優化技術的穩健設計法。前者屬于傳統的穩健設計方法，其主要包括3次設計方法、響應面法、雙響應面法以及廣義模型法。而后者成為工程穩健優化設計方法，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-質量模型的穩健設計法等。從本質意義上來講，該方法通過數學方式詮釋了三次設計方法，并借助優化計算提前控制了產品的質量性能。

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

2 材料成形穩健設計方法的應用

2.1 板料成形中穩健設計方法的應用

板料成形具有相對成熟的理論與簡單的工藝，并且仿真技術的起步較早，現階段板料成形中穩健設計的應用相對廣泛。

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

而我國在板料成形穩健設計方法的應用方面有復合設計的方法，通過沖壓仿真技術，獲取沖壓件質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計方法的可行性進行證明，然后以此實現沖壓成形過程的穩健設計，進而使沖壓成形過程的穩健設計解得以確定。又或者在V形件的穩健設計中，將有限元分析法與田口法相結合，找到影響其沖壓加工穩健性的工藝參數，并確定能夠保證穩定性的建模參數組合，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形件加工建模參數的穩健設計，進而使其沖壓加工穩健設計結果得以確定，最后借助實例進行該方法的可行性。這些有關板料成形中穩健設計方法的應用使板料成形制品的質量穩定性得以提高，并且有效控制了成本與產品廢品率，對于產品質量的提高有著重要的意義。

2.2 金屬熱成形中穩健設計方法的應用

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

2.3 塑料注射成形中穩健設計方法的應用

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，塑件質量受到多且復雜的因素的影響，并且在產品設計中波動因素的定義、分析與測量來源存在較大的難度，產品質量與不同影響因素的關系的數學模型的建立也比較困難，同時穩健設計方法對實驗提出的要求也不好滿足，可見注塑成形中穩健設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計中提出了穩健設計模型，采用穩健設計降低塑件質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的不斷發展，仿真技術具有明確各種參數的功能，能夠對受到不同水平的可控因素與波動因素影響的注塑制品質量進行模擬，進而可以為注塑成形穩健設計方法應用的可行性提供依據。

3 結束語

在材料成形的過程中，制品質量會受到不同誤差的波動而受到影響，而穩健設計能夠使產品的穩定性得以提升，同時具有控制產品成本的作用，因此對于現代產品設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，以保證設計方案的穩健性與可行性，進而為產品設計質量提供充分的保障。

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