一、前言
對于一個設(shè)計因素復(fù)雜的系統(tǒng)，由于載荷條件或使用環(huán)境的不確定性，傳統(tǒng)的方法難以保證設(shè)計性能的可靠性。傳統(tǒng)的車門設(shè)計方法依賴于設(shè)計師的經(jīng)驗和過去積累的數(shù)據(jù)，設(shè)計出初步方案，然后通過有限元方法分析比較產(chǎn)品的設(shè)計性能；將設(shè)計控制在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求范圍。如使勁推開車門；進(jìn)/出門時擠壓車門;由于斜坡或路緣使車門打開時，門底部受頂撞；或暴風(fēng)力吹開門等等是使用車輛時常發(fā)生的事。這些非確定性載荷易造成車門懸掛系統(tǒng)變形，使車門下沉，影響門的關(guān)閉功能和門邊配合的平齊度。尤其是在結(jié)構(gòu)輕量化的要求下，由于減輕質(zhì)量，當(dāng)略有超載或制造偏差時，就可能喪失功能，損失安全性和耐久性；使設(shè)計師面臨許多挑戰(zhàn)。因此，隨著對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，引入新的穩(wěn)健的設(shè)計方法。
二、Taguchi參數(shù)設(shè)計方法
產(chǎn)品性能與許多因素有關(guān)，當(dāng)某因素發(fā)生微小變化時，產(chǎn)品性能亦隨之變化。如果性能變化很小，則認(rèn)為該產(chǎn)品性能對該因素的變化是不敏感的，或者說產(chǎn)品性能對該因素的變化具有穩(wěn)健性（robust-ness）。工程穩(wěn)健設(shè)計也稱魯棒設(shè)計（engineering robust design），應(yīng)使產(chǎn)品性能對某些因素的變化不十分敏感。比如，對使用環(huán)境變化不敏感，就可以提高產(chǎn)品使用的可靠性，贏得客戶的信賴和商品價值。
近些年來，以正交試驗設(shè)計（design of experiment，DOE）為基礎(chǔ)的Taguchi參數(shù)設(shè)計方法和以方差分析為基礎(chǔ)的容差設(shè)計，逐步成為產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)健設(shè)計的重要工具。
Taguchi參數(shù)設(shè)計方法將試驗設(shè)計與計算分析相結(jié)合，獲取產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量特性信息。它涉及到試驗結(jié)果（即響應(yīng)）變量的選取，影響響應(yīng)變量的因素（或稱試驗因素）及其水平值的選擇，試驗安排，信息數(shù)據(jù)獲取和數(shù)理統(tǒng)計分析，確定試驗最佳結(jié)果——即獲得最佳參數(shù)的組合。
正交表是試驗設(shè)計的基本工具，是一些已經(jīng)制作好的規(guī)格化的表，或稱DOE矩陣。正交試驗步驟如下：（1）確定試驗因素的個數(shù)及每個因素變化的水平數(shù)；（2）分析各因素間是否存在交互作用，哪些必須考慮，哪些可以忽略；（3）確定需要進(jìn)行的大概試驗次數(shù)，選用適合的正交表，安排試驗。
在正交試驗時，根據(jù)試驗的目的選擇每個因素水平數(shù)。如果試驗是要詳細(xì)觀察各因素的影響，則每個因素應(yīng)多取幾個水平；如果試驗僅是考慮因素影響的趨勢，則因素水平就可以少取一些。對于每個試驗因素xi 在區(qū)間[x上i ，x下i]內(nèi)水平值的劃分，一般可以采用等距或等比的方法。
三、Taguchi穩(wěn)健設(shè)計方法在車門系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用
（一）車門結(jié)構(gòu)對車門下沉量的影響
車門懸掛系統(tǒng)（即鉸接系統(tǒng)）包括車身鉸鏈柱、鉸鏈和車門3個子系統(tǒng)。通常，設(shè)計時應(yīng)考慮到鉸接系統(tǒng)可能經(jīng)受暴風(fēng)吹開車門或路緣頂起車門等偶然性載荷，以及鉸接系統(tǒng)裝配調(diào)整時和客戶使用車門時濫加的載荷，這些載荷將轉(zhuǎn)變?yōu)閷囬T鉸接系統(tǒng)和對限位器系統(tǒng)的剛度要求。如果系統(tǒng)垂直剛度不足，會導(dǎo)致車門因變形而下沉，從而影響車門和門框的間隙及表面平齊度，使車門關(guān)閉費力和密封性變差。因此在穩(wěn)健設(shè)計中應(yīng)以系統(tǒng)的垂直剛度性能為目標(biāo)，要求車門下沉量越小越好。各大汽車公司對此性能都有各自明確的要求，如通用汽車公司要求車門邊緣垂直撓度（彈性變形）不得大于16mm，而永久變形（車門下沉量）不得超過1.6mm。
作者對白車門進(jìn)行試驗設(shè)計，研究車門結(jié)構(gòu)對車門下沉量的影響，篩分出車門可控制因素對產(chǎn)品性能影響的程度，以利于有效控制因素的最佳組合。
1．試驗方案的制定與安排
根據(jù)所關(guān)心和需要了解的設(shè)計問題，提出與車門鉸接設(shè)計相關(guān)的8個車門控制因素及其組合的3個控制水平?？刂扑桨赡艿脑O(shè)計選擇或控制因素的尺寸。按照8個設(shè)計參數(shù)和3個水平數(shù)，全面試驗需要進(jìn)行21×37=4374 個組合試驗，評估這些組合需要花費大量時間和資源?？紤]達(dá)到穩(wěn)健性需要多少個正交排列，選用合適的正交表。作者分析比較18個車門設(shè)計方案的車門下垂和下沉量（質(zhì)量特性），由于A因素（拉延深度）只有兩種水平，因此選用不等水平的正交表L18（21×37）。L18 DOE矩陣，2～9列中的1、2、3代表每個控制因素的控制水平。表中還列出了車門質(zhì)量和成本的計算結(jié)果。
2．有限元計算分析模型
車門有限元模型，固定鉸鏈合頁位置門的全部自由度，下垂分析是在車門內(nèi)板質(zhì)心處施加垂直向下載荷P=20kg；下沉分析是在質(zhì)心處作用P1=40kg的載荷，同時在車門閂位置加P2=150kg垂直向下的載荷；分別計算出車門門閂處的垂直位移，即車門的下垂量和下沉量。
3．試驗設(shè)計結(jié)果分析
（1）正交表的響應(yīng)均值分析
為了研究因素水平變化對產(chǎn)品質(zhì)量特性的影響，首先計算對應(yīng)每個因素各水平的平均響應(yīng)值，并作響應(yīng)圖（各因素水平與試驗結(jié)果的關(guān)系圖，表示各因素水平級對響應(yīng)的影響趨勢）。
對應(yīng)1級水平（激光拼焊板）、2級水平（整體鉸鏈加強板）、3級水平（分布鉸鏈加強板）的B1、B2、B3。
比較這些平均響應(yīng)值，可以看出各個因素對響應(yīng)特性的影響，以及每個因素不同水平之間的極差。
如對該車門下沉量影響較大的因素是B、D、E三個因素；B因素的極差RB=1.468 9–1.244 2 =0.2247，而E因素（內(nèi)板切口）的極差最大，RE=0.2450。極差大說明變更該因素對設(shè)計響應(yīng)特性會有較大的影響（敏感），改變參數(shù)值要慎重。極差小的因素是F、G、H三個因素，說明腰帶梁板厚、抗撞梁板厚和門外板板厚，對車門下沉影響不大，可以按其他條件選取其參數(shù)值。
根據(jù)試驗?zāi)康?，從響?yīng)圖中找出每個因素的最佳點（車門下沉量的最低點）， 并將其組合，A1B2C3D3E1F1G2H2為參數(shù)的最佳組合。其相應(yīng)的水平如下。
A1——采用125mm的門內(nèi)板拉延深度。
B2——鉸鏈加強板采用整體式結(jié)構(gòu)。
C3——鉸鏈加強板厚度取2.6mm。
D3——門內(nèi)板板厚取0.85mm。
E1——門內(nèi)板不開切口。
F1——腰帶梁板厚取1.0mm。
G2——抗側(cè)撞梁的板厚取2.6mm。
H2——門外板板厚取0.80mm。
其中門內(nèi)板拉延深度能否取用125mm，還需要考慮許多車門布置上的因素;門內(nèi)板不開切口顯然也是不可能的，只能要求開口最小化。而且由表2可看出該組合方案不是質(zhì)量最輕，成本最低的方案，因此需要適當(dāng)調(diào)整;采用整體鉸鏈加強板對提高剛度有利，但質(zhì)量較大；如用激光拼焊板取代鉸鏈加強板也可以保證所需的剛度，而且質(zhì)量和成本下降。調(diào)整時還要注意各因素對響應(yīng)值的敏感性。
（2）試驗數(shù)據(jù)的方差分析[2-3]試驗數(shù)據(jù)的方差分析用于確定設(shè)計因素對偏差的貢獻(xiàn)程度。也就是說，通過方差分析，可以計算出各因素對響應(yīng)的貢獻(xiàn)率，定量給出因素的主次關(guān)系。
參數(shù)的最佳組合主要考慮貢獻(xiàn)率大的主要因素及其相應(yīng)的水平，并進(jìn)行控制和調(diào)整；而對那些次要因素可以根據(jù)其他條件確定，以便獲得最佳的設(shè)計方案。
（二）設(shè)計參數(shù)對車門鉸接系統(tǒng)質(zhì)量特性的影響
選用L18（21×37）不等水平正交表，8個控制因素和3個水平如表3所示，表中x、y、z分別為車身坐標(biāo)系方向。目標(biāo)質(zhì)量（響應(yīng)）特性的要求是：門后下角的位移和車門及車身門柱上合頁附近的應(yīng)力值愈小愈好；求最佳參數(shù)的組合。
計算分析用整個系統(tǒng)有限元模型，包括白車門、鉸鏈和車身鉸鏈柱3個子模型；所有部件用板單元模擬；螺釘連接、焊接和所有零件之間局部接觸處用剛體單元；垂直載荷作用于門閂。用MSC2NAS2TRAN對DOE矩陣中18種方案進(jìn)行計算。
計算結(jié)果與原鉸鏈分析比較表明，新設(shè)計鉸鏈?zhǔn)管囬T垂直位移很好地滿足要求，而車門應(yīng)力和車身加強板應(yīng)力分別減少87%和34%[4]，因此鉸鏈系統(tǒng)更加穩(wěn)健，并說明原結(jié)構(gòu)有減輕質(zhì)量的潛力。
四、結(jié)論
應(yīng)用Taguchi參數(shù)設(shè)計方法，可以識別對設(shè)計質(zhì)量特性影響大的控制因素，進(jìn)行設(shè)計參數(shù)的最佳組合，增強產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)健性，降低各種設(shè)計、制造、材料等偏差和環(huán)境變化帶來的風(fēng)險，提高產(chǎn)品合格率和商品價值。
穩(wěn)健設(shè)計方法是提高產(chǎn)品質(zhì)量的有力工具。但對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，一些難以控制的因素（稱噪聲因素）或一些因素之間的相互作用會影響DOE評估的結(jié)果。所以如何識別因素的交互關(guān)系和噪聲因素還有待研究。對于車門鉸接系統(tǒng)，還應(yīng)該進(jìn)一步研究限位系統(tǒng)的剛度對性能影響，材料的非線性對永久變形的影響等。
（轉(zhuǎn)載）
