[发明专利]一种用于优化产品性能变化边界的稳健设计方法

说明书

本发明实施例公开了一种用于优化产品性能变化边界的稳健设计方法，包括：建立产品性能与参数间函数关系；建立稳健设计优化模型；建立参数优化模型；建立配置优化模型；建立产品性能波动边界对参数波动边界的敏感性优化模型。基于遗传算法，建立一套MATLAB程序连接各个优化模型以及产品性能与参数、参数波动边界。本发明的稳健设计优化方法可以深层次揭示参数不确定性对产品性能的影响机理，降低产品性能对参数不确定性的敏感性，为设计者提供方法支持。

技术领域

本发明涉及一种产品优化设计方法，具体来说涉及到稳健设计方法领域对不确定因素影响造成的性能不稳定问题，其中主要涉及的对象包括产品的性能及其变化边界、产品配置、对应配置的相关参数以及不确定因素。通过研究上述对象之间的关系，建立起针对产品性能边界优化的三层优化模型，提出了不确定性对功能特性波动边界影响的敏感性分析，从根本上提高了产品的稳健性。

背景技术

机械产品在其设计、生产、使用到报废的整个生命周期过程中都会受到压力、噪声、载荷等不确定因素的影响。这些不确定因素会影响产品的性能进而影响机械产品的质量，也决定了企业的经济效益甚至企业的生存状况。对于重要的机械设备，不确定性因素的影响可能会造成灾难性事故，例如飞机、核电等设备。所以在产品的设计阶段就应该对不确定性因素予以重视和考虑。由于传统方法无法对不确定性因素进行定量计算影响，因此导致产品的系统性能要么对于参数不确定性太过敏感而不能稳定发挥性能，要么由于保守设计导致经济效益低。稳健设计的出现能够很好的降低不确定性因素对系统性能的影响。稳健是在英文中是的意思是强壮、坚韧，能经受考验。

Taguchimethod(田口方法)来源于Taguchi博士的产品质量管理思想。它是以实验为基础的设计方法，可以提高改进产品质量，降低产品性能对不确定性因素的敏感性。Taguchimethod通过建立产品性能与其他参数的函数关系，然后给出每个参数的不同数值并建立正交表。根据正交表产生的多组组合，以实验为基础选择最优的一组组合。Taguchi设计方法的基本思想是，在不消除且不减小不确定性源的前提下，通过设计使不确定性因素对产品质量的影响尽可能小。

基于可靠性的优化设计目的在于考虑到设计参数各种不确定性的同时，在给定的可靠性水平上找到最优设计。通常把设计参数不确定性对产品可靠性的影响作为约束来处理。一阶和二阶可靠性方法通常用于可靠性优化设计。因为设计参数的可靠性可由区间模型来描述，区间分析可用作基于可靠性的设计优化。另外，基于主观不确定性的优化方法也被引进开展研究，但是，这些方法没有研究功能特性边界和设计参数波动之间的关系。另外对产品功能特性参数波动边界关于设计参数波动的敏感性也没有系统的研究。

区间优化方法作为一种新的不确定优化方法逐渐发展起来。在区间优化中，实验者仅仅需要参数的变化范围(即不确定范围)，而不是这些参数精确的概率分布，因此对试验次数和样本的依赖比较低。因此，许多复杂的工程设计问题中即使缺乏足够多的样本点依然能够方便地处理为区间变量。根据目标函数和约束的性质分类，区间优化可以分为非线性优化和线性优化两大类，但是非线性区间优化问题通常是被转换成一个两层嵌套的确定性优化问题，如何提高计算效率一直是困扰学者和工程设计人员的瓶颈问题。在实际工程中，基于数值分析的优化模型所进行的单次计算比较耗时，使得两层嵌套的效率优化无法满足设计要求。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种用于优化性能变化边界的稳健设计方法。可提高系统在使用过程中的稳定性，降低对不确定因素的敏感性，对产品的优化设计提供重大帮助。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于优化产品性能变化边界的稳健设计方法，包括以下步骤：