[发明专利]一种动态特性机械系统的稳健性设计方法

说明书

本发明公开了一种面向全寿命周期具有动态特性机械系统的稳健性设计方法，该方法最大特点是按照田口三次设计的理论，建立了一种有效评估机械系统的动态稳健性的量化指标和设计参数寻优方法。具体包括以下步骤：建立动态特性性能输出与设计参数、信号因子和噪声因子的映射函数模型；建立动态特性性能输出波动的两个稳健性关键指标：方差和偏差的度量；建立动态特性机械系统的分析性稳健性优化设计模型；建立定量化的稳健灵敏性矩阵，揭示影响系统稳健性的内在机理具体因素。本发明的稳健优化设计方法是经典静态稳健设计理论和方法的一致有效拓展，克服了产品质量特性确定性设计的不足，为复杂机械产品开展创新和精细化设计提供有效的参考基础。

技术领域

本发明涉及不确定性条件下机械产品或系统的质量特性优化设计技术领域，特别涉及考虑动态特性的机械系统稳健性评估与设计，它可为工程技术人员制定机械产品或系统的创新和精确设计方案提供重要的理论借鉴和应用指导。

背景技术

机械产品或系统设计中普遍存在着许多不确定性因素，如材料特性的波动、制造与装配误差、载荷环境的变化等，忽略这些不确定因素的确定性系统结构设计方法得到的设计结果往往对不确定因素非常敏感，性能输出目标存在着较大波动，有时无法达到工作需求，因此，在机械产品或系统概念设计阶段之初，采用不确定性设计建立更为客观真实的物理样机模型，得到更为可靠和经济的设计结果，才能真正满足工程实际的设计需求。

稳健设计(也称健壮设计或鲁棒设计)起源于日本学者Taguch i博士提出的三次设计法^[1]，它作为一种在充分考虑不确定因素条件下，能够有效提升系统或产品工作性能特性、降低制造过程成本的工程方法，引起各国学者和工程人员的广泛关注，并在科技工业界得到越来越多成功的应用。稳健设计方法大体上可分成两类^[2]：第一类以经验或半经验试验设计手段，如田口方法、响应面法、双响应面法和广义模型法等；第二类以工程数理模型与最优化技术相结合的分析演绎方法，主要有容差模型法、容差多面体法、随机模型法、变差传递法、灵敏度法等。机械系统稳健设计是指在不消除、不减少不确定性因素的情况下，充分合理利用系统内在结构非线性属性效应，通过优化选择参数水平匹配组合使不确定性因素对系统的输出性能的波动尽可能小，从而提高系统本身工作的稳定性。目前，稳健设计在机械工程中的研究运用十分活跃和有效，主要集中在静态质量特性的机械系统的各种稳健优化设计^[3]。

根据机械系统输出性能目标是否具有可调节性，可将稳健设计分为静态特性稳健设计和动态特性稳健设计^[4]。实际生产中，机械系统大多都需要具有动态输出特性的，如染料机的染色性能、轧钢机轧制厚度等。从现有资料和实际应用看，涉及到动态稳健设计也都是以试验设计和统计分析为手段，如动态信噪比法^[5]、数据挖掘法^[6]、动态代理模型/响应面法^[7]、灰色关联度法^[8]等。这些方法都需足够的数据，无法与经典的静态质量特性的机械系统分析性稳健设计保持自然的一致性，也无法从本质原理揭示系统稳健性具体的内在关系属性。动态特性机械系统的稳健设计就是指一方面需要对噪声因子不敏感，另一方面又需要对于信号因子则具有较好的灵敏性。

为了得到同时考虑不确定因素和动态性能目标输出的机械系统设计，本发明提出了一种较为完整的稳健设计方法，它是经典静态质量特性分析性稳健设计方法的有效拓展推广，主要利用随机过程和泛函优化的知识，对动态特性机械系统的稳健设计基本理论从分析性层面采用定量解析演绎的方法，给出了清晰明了和切实可行的具体方案。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，解决同时考虑随机不确定因素和动态特性目标输出的机械系统设计方法，以提高系统的稳健性，最大特点是完全按照经典静态分析性稳健设计原理和方法有效推广而来，易理解和实用。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种动态特性机械系统的稳健性设计方法，