專利名稱：基于功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界優(yōu)化的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)方法領(lǐng)域，更具體地涉及到考慮功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界優(yōu)化的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，它描述了產(chǎn)品功能特性波動(dòng)邊界、設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)不確定性之間關(guān)系的分析模型，建立了功能特性邊界優(yōu)化模型。提出了不確定性對(duì)功能特性波動(dòng)邊界影響的敏感度分析，從根本上提高了產(chǎn)品的穩(wěn)健性，更對(duì)機(jī)械產(chǎn)品品質(zhì)的評(píng)估和產(chǎn)品后續(xù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供借鑒和指導(dǎo)。
背景技術(shù)：
設(shè)計(jì)產(chǎn)品和系統(tǒng)是為了達(dá)到它們的期望功能。在很大程度上，產(chǎn)品的功能特性由設(shè)計(jì)參數(shù)決定。然而，由于原材料、加工過程和生產(chǎn)環(huán)境的波動(dòng)產(chǎn)生的不確定性，設(shè)計(jì)參數(shù)常常偏離它們的期望值，因此導(dǎo)致功能特性的波動(dòng)。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品，超過限定的功能特性波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品功能失效甚至事故。由于不確定性通常存在于機(jī)械產(chǎn)品不同的生命周期比如制造和運(yùn)行周期內(nèi)，不確定性對(duì)功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界的影響變得難以評(píng)估，尤其產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)和功能特性參數(shù)為非線性關(guān)系的產(chǎn)品。因此，鑒定不確定性和功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界之間的一類方法需要使得功能特性波動(dòng)邊界關(guān)于不確定性的敏感性降到最低。在過去的十年里，關(guān)于不確定性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了很多方法?？傮w分為基于可靠性的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法和基于最優(yōu)化的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法?；诳煽啃缘膬?yōu)化設(shè)計(jì)目的在于考慮到設(shè)計(jì)參數(shù)各種不確定性的同時(shí)，在給定的可靠性水平上找到最優(yōu)設(shè)計(jì)[I]。通常設(shè)計(jì)參數(shù)不確定性對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響作為約束來處理。一階和二階可靠性方法通常用于可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)參數(shù)的可靠性可由區(qū)間模型來描述，區(qū)間分析可用作基于可靠性的設(shè)計(jì)優(yōu)化[2]。另外，基于主觀不確定性的優(yōu)化方法[3]也被引進(jìn)開展研究，但是，這些方法沒有研究功能特性邊界和設(shè)計(jì)參數(shù)波動(dòng)之間的關(guān)系。另外對(duì)產(chǎn)品功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界關(guān)于設(shè)計(jì)參數(shù)波動(dòng)的敏感性也沒有系統(tǒng)的研究?；趦?yōu)化的穩(wěn)健設(shè)計(jì)通過將由不確定因素引起的功能特性波動(dòng)最小化，來解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的不確定因素。本研究區(qū)域中，提出了很多方法來模擬目標(biāo)值附近的功能特性參數(shù)的概率分布和鑒定穩(wěn)健設(shè)計(jì)參數(shù)值[4]。這些方法包括多目標(biāo)穩(wěn)健優(yōu)化[5]、隨機(jī)法和可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。在基于最優(yōu)化的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法中，設(shè)計(jì)參數(shù)波動(dòng)邊界法被認(rèn)為是評(píng)估設(shè)計(jì)約束的可靠性邊界的方法。盡管設(shè)計(jì)參數(shù)波動(dòng)邊界對(duì)產(chǎn)品穩(wěn)健性的影響已經(jīng)通過設(shè)計(jì)約束進(jìn)行了研究，但尚未開展對(duì)功能特性波動(dòng)邊界、設(shè)計(jì)參數(shù)和它們不確定性之間的關(guān)系的研究[6]。產(chǎn)品功能特性波動(dòng)邊界對(duì)不確定因素的敏感性也需要得到最小化。為了得到考慮了不確定因素對(duì)功能特性波動(dòng)邊界的影響的穩(wěn)健設(shè)計(jì)，本發(fā)明提出了一種系統(tǒng)的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，建立了參數(shù)不確定性和功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界之間的關(guān)系模型，并通過優(yōu)化功能特性波動(dòng)邊界達(dá)到穩(wěn)健設(shè)計(jì)。該方法通過把功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)不確定性的敏感度降到最低的方式，來消除產(chǎn)品潛在的安全性問題，改善機(jī)械產(chǎn)品的品質(zhì)。
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界的優(yōu)化方法，以提高產(chǎn)品的穩(wěn)健性，對(duì)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)提出有效借鑒。本發(fā)明是釆用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的I、一種基于功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界優(yōu)化的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟I. I.根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)功能特性函數(shù)的影響，以設(shè)計(jì)參數(shù)及其波動(dòng)的數(shù)值函數(shù)形式建立功能特性函數(shù)波動(dòng)模型AFri,以設(shè)計(jì)參數(shù)及其公差的數(shù)值函數(shù)形式描述功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界，建立產(chǎn)品不確定參數(shù)和功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界的關(guān)系模型，即功能特性參數(shù)波動(dòng)下邊界模型LA、功能特性參數(shù)波動(dòng)上邊界模型UBp功能特性參數(shù)波動(dòng)范圍模型VBi ；I. 2.求解I. I中的各個(gè)波動(dòng)邊界關(guān)系模型，得到基于功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界優(yōu)化的穩(wěn)健設(shè)計(jì)模型，即功能特性參數(shù)波動(dòng)下邊界的最大化模型、功能特性參數(shù)波動(dòng)上邊界的最小化模型和功能特性波動(dòng)范圍的最小化模型，然后鑒定最優(yōu)功能特性參數(shù)方差邊界的穩(wěn)健設(shè)計(jì)，識(shí)別功能特性波動(dòng)的最優(yōu)邊界，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)；I. 3.采用穩(wěn)健靈敏度分析方法，計(jì)算穩(wěn)健設(shè)計(jì)中各功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界關(guān)于參數(shù)不確定性的敏感度矩陣，即功能特性波動(dòng)的上邊界對(duì)不確定因素的敏感度Ru = [SUBcZdtl,dUBjdtm\功能特性下邊界對(duì)不確定因素的敏感度Rl= [ SLBi / St1,SLBi / Stm ]
功能特性參數(shù)波動(dòng)的范圍對(duì)不確定因素的敏感度Rv= [SVB^fdtl,dVBjdtm\
其中UB5是功能特性評(píng)估函數(shù)Fr5的波動(dòng)上邊界,LB5是Fr5的波動(dòng)下邊界,VB5是Fr5的波動(dòng)范圍，設(shè)計(jì)參數(shù)距離理想值的最大波動(dòng)由f1; . . . , fm描述，;是介于I,...,n之間的整數(shù)；由以上敏感矩陣識(shí)別那些引起功能特性波動(dòng)邊界重大變化的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過減少引起這些設(shè)計(jì)參數(shù)波動(dòng)的不確定性根源，改善產(chǎn)品的質(zhì)量；I. 4.運(yùn)用matlab優(yōu)化工具箱模擬得到理想的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果，再根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)不確定性對(duì)設(shè)計(jì)穩(wěn)健性的影響，綜合鑒定穩(wěn)健設(shè)計(jì)結(jié)果。2、根據(jù)權(quán)利要求I所述基于功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界優(yōu)化的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述功能特性參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)來源于初始產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求及工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)勢和有益效果
本發(fā)明的特點(diǎn)在于從產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系出發(fā)，從功能特性邊界的角度研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。發(fā)明內(nèi)容包括三部分，在第一部分中，介紹了一種考慮了參數(shù)不確定性對(duì)功能特性波動(dòng)邊界影響的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法。首先以設(shè)計(jì)參數(shù)及其波動(dòng)的數(shù)值函數(shù)形式建立功能特性評(píng)估和波動(dòng)模型，然后以這些設(shè)計(jì)參數(shù)和它們的公差的數(shù)值函數(shù)形式描述功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界。接著用優(yōu)化方法鑒定最優(yōu)功能特性參數(shù)方差邊界的穩(wěn)健設(shè)計(jì)，得到基于功能特性波動(dòng)邊界的穩(wěn)健設(shè)計(jì)優(yōu)化模型，同時(shí)計(jì)算出穩(wěn)健設(shè)計(jì)中功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界關(guān)于參數(shù)不確定性的敏感度。在第二部分中，在考慮了功能特性波動(dòng)邊界的情況下，討論了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)不確定性對(duì)設(shè)計(jì)穩(wěn)健性的影響。在第三部分中，以一種減壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例論證本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)方法。通過下面的描述并結(jié)合


，本發(fā)明會(huì)更加清晰，

用于解釋本發(fā)明方法及實(shí)施例。

圖I為功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)和不確定因素之間的關(guān)系示意圖；其中，a為初始設(shè)計(jì)示意圖，b為改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)后的改進(jìn)設(shè)計(jì)示意圖，圖c為改變設(shè)計(jì)參數(shù)后的改進(jìn)設(shè)計(jì)示意圖；圖d為減少設(shè)計(jì)參數(shù)波動(dòng)范圍后的改進(jìn)設(shè)計(jì)示意圖；圖2為卸壓系統(tǒng)簡化示意圖；圖3為卸壓閥原理示意圖；圖4為本發(fā)明產(chǎn)品穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的流程圖；圖5為本發(fā)明產(chǎn)品穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的功能模塊圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。如圖4所示，本發(fā)明的分析方法包括以下步驟第一步建立基于功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界優(yōu)化的穩(wěn)健設(shè)計(jì)模型步驟(I):建立功能特性參數(shù)函數(shù)及波動(dòng)模型由以下模型描述產(chǎn)品功能特性參數(shù)函數(shù)Fri和設(shè)計(jì)參數(shù)Dp^的關(guān)系Fri = fj (Dp1, . . . , Dpm), i = I, . . . , n, j = I, . . . , m(I)
考慮到產(chǎn)品和環(huán)境的不確定性，先定義設(shè)計(jì)參數(shù)的變化范圍，由U j(j = 1，...，m)代表Dp^的中間值，代表Dp^在中間值處的最大波動(dòng)量，得到設(shè)計(jì)參數(shù)Dp^ G [Uj-tj,Uj+tj]。假定設(shè)計(jì)參數(shù)的波動(dòng)相互獨(dú)立服從正態(tài)分布，則設(shè)計(jì)參數(shù)Dpj的期望值為=E(Dpj)=U JO進(jìn)一步得設(shè)計(jì)參數(shù)的偏移量ADpj = Dpj-(Dpj),并得ADpj G [_tj, tj]。發(fā)明中，由AFrJj = 1，. . .，n)表示功能特性評(píng)估函數(shù)，AFri = Fr^f 4 ( U 1；...,Um)。對(duì)典型機(jī)械設(shè)計(jì)問題，參數(shù)波動(dòng)值很小時(shí)，二階泰勒展開式可提供足夠精確度，現(xiàn)泰勒展開功能特性評(píng)估函數(shù)的波動(dòng)與設(shè)計(jì)參數(shù)偏移量的關(guān)系式
權(quán)利要求
1. 一種基于功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界優(yōu)化的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟1.1.根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)功能特性函數(shù)的影響，以設(shè)計(jì)參數(shù)及其波動(dòng)的數(shù)值函數(shù)形式建立功能特性函數(shù)波動(dòng)模型AFri,以設(shè)計(jì)參數(shù)及其公差的數(shù)值函數(shù)形式描述功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界，建立產(chǎn)品不確定參數(shù)和功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界的關(guān)系模型，即功能特性參數(shù)波動(dòng)下邊界模型LBi、功能特性參數(shù)波動(dòng)上邊界模型UBp功能特性參數(shù)波動(dòng)范圍模型VBi ； I. 2.求解I. I中的各個(gè)波動(dòng)邊界關(guān)系模型，得到基于功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界優(yōu)化的穩(wěn)健設(shè)計(jì)模型，即功能特性參數(shù)波動(dòng)下邊界的最大化模型、功能特性參數(shù)波動(dòng)上邊界的最小化模型和功能特性波動(dòng)范圍的最小化模型，然后鑒定最優(yōu)功能特性參數(shù)方差邊界的穩(wěn)健設(shè)計(jì)，識(shí)別功能特性波動(dòng)的最優(yōu)邊界，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)； I. 3.采用穩(wěn)健靈敏度分析方法，計(jì)算穩(wěn)健設(shè)計(jì)中各功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界關(guān)于參數(shù)不確定性的敏感度矩陣，即功能特性波動(dòng)的上邊界對(duì)不確定因素的敏感度Ru = IdUBcZdt1, ···, δΙΙΒζ/δ η] 功能特性下邊界對(duì)不確定因素的敏感度 Rl= IdLBcIdtl, dLBc/dtm] 功能特性參數(shù)波動(dòng)的范圍對(duì)不確定因素的敏感度 Rv=IdVBcIdt1,SVBiIdtJ 其中UB,是功能特性評(píng)估函數(shù)Fr,的波動(dòng)上邊界，LB,是？!·,的波動(dòng)下邊界，VBi是Fr5的波動(dòng)范圍，設(shè)計(jì)參數(shù)距離理想值的最大波動(dòng)由t1;. . .，tm描述，ζ是介于I,. . . ,η之間的整數(shù)； 由以上敏感矩陣識(shí)別那些引起功能特性波動(dòng)邊界重大變化的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過減少引起這些設(shè)計(jì)參數(shù)波動(dòng)的不確定性根源，改善產(chǎn)品的質(zhì)量； 1.4.運(yùn)用matlab優(yōu)化工具箱模擬得到理想的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果，再根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)不確定性對(duì)設(shè)計(jì)穩(wěn)健性的影響，綜合鑒定穩(wěn)健設(shè)計(jì)結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界優(yōu)化的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述功能特性參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)來源于初始產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求及工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種基于功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界優(yōu)化的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，包括建立功能特性參數(shù)函數(shù)及其波動(dòng)模型；建立功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界模型；求解前述關(guān)系模型得到基于功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界優(yōu)化的穩(wěn)健設(shè)計(jì)模型；采用穩(wěn)健靈敏度分析方法，分析所述穩(wěn)健設(shè)計(jì)優(yōu)化模型，得到功能特性參數(shù)波動(dòng)邊界對(duì)各種不確定性的穩(wěn)健敏感度矩陣；根據(jù)穩(wěn)健設(shè)計(jì)優(yōu)化模型和穩(wěn)健靈敏度矩陣，采用matlab優(yōu)化工具箱模擬得到影響產(chǎn)品穩(wěn)健性的相關(guān)參數(shù)，揭示影響系統(tǒng)穩(wěn)健性的內(nèi)在機(jī)理。本發(fā)明的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以深入產(chǎn)品結(jié)構(gòu)內(nèi)部，對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)健性進(jìn)行綜合優(yōu)化度量，便于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足之處，也從側(cè)面為產(chǎn)品設(shè)計(jì)者及用戶是否要針對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計(jì)提供方法支持。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102622483SQ20121006090
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者包能勝, 張健, 程強(qiáng), 肖傳明, 顧佩華 申請人:北京工業(yè)大學(xué), 汕頭大學(xué)