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少无试验条件下机械产品分析性稳健设计研究

作　者: 张健
导　师: 顾佩华
学　校: 汕头大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 产品质量稳健设计敏感性生产成本公差设计
分类号: TH122
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 107次
引　用: 4次
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内容摘要

稳健设计是一种新的能够有效提升产品质量的现代设计方法。二十世纪七十年代TAGUCHI博士首次提出了稳健设计的基本思想,并发展了基于正交实验的稳健设计方法,该稳健设计方法得到了较为广泛的推广和应用,在实际工程中体现出了巨大的优越性,能够很好的提升产品的质量。但是,基于正交实验的稳健设计方法(TAGUCHI Method)需要以一定数量的实验为基础,并且难以揭示系统稳健性的内在本质。为克服TAGUCHI稳健设计方法的局限性,本文从数学分析的角度对系统的稳健性进行了分析,对少无实验条件下的分析性稳健设计方法(ARD)做了初步的探讨。本研究的内容主要包括以下三个部分:(1)在借鉴已有研究成果的基础之上,对线性系统的稳健性进行了研究。按照稳健设计的基本思想,从设计参数与系统功能之间的映射关系入手,针对线性条件下系统的稳健性与结构参数、设计参数以及设计参数容差之间内在固有的联系,从数学上对系统稳健性的影响因素做出了分析。揭示了系统结构特征与系统稳健性之间的紧密关系,在此基础之上建立了线性系统分析性稳健设计的优化模型,并且对各功能需求之间的关系做出了探讨。(2)对非线性系统稳健性的实现及其内在原理做了分析。建立了非线性条件下系统功能需求与结构特征参数、设计参数以及不可控因素之间的关系模型,按照该模型对系统敏感性进行了分析,给出了系统敏感性指数Sv2具体的数学表达式。按照稳健设计的基本思想,建立了分析性稳健设计的优化模型,根据该优化模型结合TAGUCHI稳健设计方法对系统稳健性实现的内在本质从理论上做出了分析。在各因素(系统结构特性、设计参数以及不可控因素)对系统稳健性影响程度的分析的基础上,提出了稳健灵敏性矩阵RS。(3)在满足系统稳健前提下,对稳健性公差设计作了讨论。稳健设计能够使得产品功能特性对不可控的变动因素不敏感,减少质量损失,提升产品质量。基于成本的公差优化设计可以达到减少制造费用,降低生产成本的目的。结合质量工程原理,分析了稳健设计与公差优化设计的特点以及两者之间的联系,初步提出了一种考虑产品稳健性的公差设计方法,并且建立了相应的数学优化模型,对涂布头进行了稳健性公差优化设计。通过本研究可以发现,(1)在线性条件下系统的稳健性与该系统结构参数以及设计参数容差(不可控因素)有着直接的函数关系,而与设计参数水平值及其组合并无联系。根据所设计系统的具体要求,建立系统性能分析性稳健设计优化模型,从而合理的选取系统结构参数及设计参数容差对系统的稳健性至关重要。(2)非线性条件下,系统本身的结构特性决定了设计参数对系统功能目标的作用形式,从而对系统功能目标的分布产生影响。设计参数的不同选择对系统稳健性影响的实质在于利用系统的非线性效应,以使设计功能靠近目标值,并使得变异达到最小。对不可控因素的控制则是一种从源头减小功能目标变动以提高系统稳健性的有效途径。(3)基于产品稳健性的公差优化设计方法能够在有效提升产品质量的同时,极大限度地降低生产成本,运用该设计方法能够设计出质量稳健成本低廉的产品。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-15
  1.1 课题研究的背景  9-10
  1.2 课题研究的意义  10-11
    1.2.1 现有稳健设计方法存在的局限性  10
    1.2.2 分析性稳健设计方法的优越性  10-11
    1.2.3 工程应用前景  11
  1.3 课题研究的现状  11-14
  1.4 主要研究内容  14-15
第2章线性条件下系统的稳健性分析及其设计方法  15-36
  2.1 TAGUCHI稳健设计基本原理  15-16
  2.2 线性系统稳健性分析及其设计方法的提出  16-26
    2.2.1 分析性稳健设计模型的建立  16-17
    2.2.2 线性系统稳健性评价  17-21
    2.2.3 在原有研究基础上的进一步扩展  21-26
  2.3 关于condition number的分析讨论  26-27
  2.4 设计实例分析  27-35
    2.4.1 刚性横梁的设计  27-31
    2.4.2 螺栓联接的设计  31-35
  2.5 本章小结  35-36
第3章非线性条件下系统的稳健性分析及其设计方法  36-55
  3.1 非线性系统稳健性研究模型的建立  36-37
  3.2 非线性条件下系统稳健设计分析  37-44
    3.2.1 系统功能目标函数的泰勒展开  37-38
    3.2.2 系统稳健优化模型的建立  38-44
  3.3 系统稳健性实现内在物理意义的分析  44-47
    3.3.1 分析性稳健设计方法与TAGUCHI稳健性理论之间的关系  44-45
    3.3.2 作用形式的直观表达  45-47
  3.4 对可靠性的初步探讨  47-48
    3.4.1 线性条件下可靠性的初步分析  47-48
    3.4.2 非线性条件下可靠性的初步分析  48
  3.5 系统的稳健灵敏性  48-49
  3.6 气动换向装置的稳健设计  49-54
  3.7 本章小结  54-55
第4章基于产品稳健性的公差优化设计  55-73
  4.1 产品质量与生产成本  55-56
  4.2 稳健性公差优化设计  56-62
    4.2.1 质量损失与制造成本  56-57
    4.2.2 基于稳健设计的分析模型  57-59
    4.2.3 产品稳健性公差优化模型  59-62
  4.3 四辊料槽供料逆转辊涂布机涂布头的稳健设计  62-72
  4.4 本章小结  72-73
第5章结论与展望  73-75
  5.1 结论  73
  5.2 展望  73-75
参考文献  75-80
致谢  80-81
在学期间已发表或录用的学术论文  81-82
个人简历  82

少无试验条件下机械产品分析性稳健设计研究

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