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基于广义区间的汽车产品质量特性稳健设计方法与应用

【摘要】:近年来在政策的鼓励和市场的支持下,我国汽车行业蓬勃发展,2014年的产销量继续世界排名第一。在产量大幅增长的同时,更应特别关注质量的改进与提升。众所周知,设计阶段是质量形成的源头,而工程实际中广泛存在的不确定性却是质量问题产生的根本原因。在设计阶段即考虑不确定因素,在不增加成本的前提下提高其稳健性,是提高产品质量的有效措施。因此,面向不确定性的设计方法研究与应用对于提高汽车产品质量特性的稳健性具有重要意义。基于概率和模糊理论的不确定性设计方法需要大量样本信息来建立描述不确定因素的概率分布函数和模糊隶属度函数,而实际往往不能满足这种数据要求。区间理论虽然对数据量的要求不大,但它具有的计算不可逆性和语义描述的局限性,使其在应用中受到一定限制。作为一种新的不确定性量化方法,广义区间利用上下界的序关系区分不同的语义描述,通过相应运算符使得具有计算可逆性,在一定程度上弥补了经典区间的不足。但是针对质量特性稳健设计的广义区间型设计方法还没有开展研究,尤其是在语义表述、设计建模及求解、可行性分析以及动态系统不确定型变量的估计等方面的研究与应用,还存在尚待解决的问题。稳健设计是一种用来进行不确定性设计的常用方法,它在不消除不确定源的前提下,通过调整可控因素来减少由于不可控因素的变化导致的质量特性的改变。目前的稳健设计通常定义为优化模型的求解最优解形式,但是设计是一个信息不断完善的过程,重复式的建立优化模型并求最优解无疑是不可取的。所以在进行优化设计之前,应先探讨满足设计约束的可行解问题,寻找满足约束的所有可行解为工程师提供稳健性的辅助决策。本文对基于广义区间的汽车产品质量特性的不确定性设计方法展开研究,在满意约束问题的理论框架下探索方法的稳健性。主要研究内容和创新点如下:(1)提出基于量词满意约束问题的设计可行域探索模型。该方法利用广义区间来量化不确定因素,通过与逻辑量词相结合来表达变量在区间范围内“可控”或“不可控”的设计语义,从而将设计问题以广义区间量词满意约束问题的形式进行建模。然后提出了三种基于语义分析的分支剪枝算法求得模型的设计可行域。最后提出了基于区间分析法的混合分层蒙特卡洛验证法用于解的验证。本方法在量词满意约束问题的理论框架下建立了质量特性设计模型,在全称和存在变量及其设计约束的作用下求得模型的稳健可行解。(2)提出针对广义区间型变量的全局灵敏度分析法。该方法以量词满意约束模型中的不确定性变量为研究对象,通过基于广义Hartley熵的灵敏度指标来定量分析变量中的不明确性,使用非可行性指标来定性评估变量不确定性对质量特性的影响,并构建了不确定性变量的灵敏度域概念,在不进行穷计算条件下增加了灵敏度分析结果的稳健性。本方法只需估计变量变化的上下界限,无需假设概率分布,可同时分析变量的数值不确定性和设计语义对质量特性的影响。(3)提出基于广义区间概率理论的扩展Kalman滤波机制。考虑系统误差和系统扰动共同存在时,该方法运用广义区间概率对车辆动态系统中的随机和认知不确定性进行量化,以对随机广义区间型数据的统特性定义为基础,推导了动态系统变量的预测和更新过程。该方法将系统和随机误差区别开来,将经典Kalman滤波方法扩展至区间概率范围,可用于通过观测值估计隐状态的一般设计问题。综上所述,本文提出的方法为传统设计理论提供了处理区间变量的可选技术和方法。最后汽车传动参数的设计实例演示了方法的应用过程并验证了方法的可行性和有效性。

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