汽车车身设计的稳健性问题及其对性能的影响

稳健设计的概念本质是使产品的性能能够在制造期间出现的变化和使用环境条件的变化下不出现响应的敏感情况，并且使制造的产品在其使用寿命周期内在其参数和结构发生漂移或老化时（在允许的误差范围之内），都能符合要求持续地工作的一种现代先进的设计方法。稳健设计的主要作用是在不增加制造成本的基础前提下减少产品质量的波动，从而达到提高产品设计、制造质量的目的。它强调产品质量的提高是通过产品的设计而不是制造。

1.车身性能设计中稳健性问题的来源

在实际生产活动中，产品的质量通常通过对产品特定的功能、特性和数值的测定来进行评定（质量特性或输出特性）。通常对于任何一种产品的质量特性值，和质量特性额定值之间都存在一定的偏差。这种偏差越小，说明产品的质量就越好。假设某产品的质量特性值为y，额定值为y₀，y和y₀之间的偏差为σ_y。σ_y是服从一定概率分布的随机变量，当其服从正态分布σ_y～N（0，σ²）时，根据正态分布的性质可知，方差值越小时产品的质量特征值的偏差就越小，说明质量特征值的波动很小，产品设计的质量高。稳健设计质量分布如图6-49所示。

导致产品质量特性值产生波动的因素，称为质量噪声，也叫噪声因子，是不能被设计者控制的因子。质量噪声是由一些不确定性的因素组成，主要存在于产品的设计、制造和使用三方面。它可概括为下面的三个方面。

图6-49 稳健设计质量分布图

1）外噪声。由于环境因素和使用条件等外在条件的变化作用下，导致产品质量特性值产生波动。如温度、湿度、位置等条件因素发生变化。

2）内噪声。由产品在储存或使用过程中，随时间的推移，产品的材料出现变质、劣化现象而引起质量特性值的波动。如产品绝缘材料的老化等。

3）产品间噪声。指在相同的生产条件环境下，在人、机、料、法、环等因素的变化作用下，导致生产制造出来的一批产品的质量特性值出现波动的状况。

2.稳健性问题对车身性能的影响

稳健性问题对车身设计性能的影响主要有以下几个方面。

1）对产品进行分析，定义产品质量的综合性能指标，该指标可能是产品众多指标中的某一性能指标，也可能是其中的多个性能指标。这些指标能够表述成参数的相应函数形式或者利用试验确定其函数关系。通过选择系统参数的最佳组合，尽量减小内外部和产品的干扰，使质量特性波动减到最小。

2）根据确定的产品质量特性影响因素的类型、个数，从而建立起产品的质量特性与影响因素之间的数学关系模型或表达式。即是根据各参数波动的程度对产品质量特性贡献的大小，从经济性的角度确定最符合经济效益的容差的大小。

3）确定稳健设计类型及方法。根据前面确定的参数及影响因素来选择最合理的稳健设计的方法，确保产品质量的损失达到最合理的模式，并在此基础上寻求稳健设计的最优解，得到产品的稳健设计方案。稳健设计就是寻找一种设计方案，使得设计出的产品性能满足一定的需要，而性能波动又相对较小。(www.xing528.com)

4）把理论应用到实际中。把质量设计到产品中，从质量损失和经济性角度进行质量设计，真正实现低成本、高品质的设计效果。

3.车身性能设计中稳健性问题的控制策略

根据产品实际生产经验，稳健性设计问题的基本控制策略包含几个步骤。

1）对产品进行分析，定义产品质量的综合性能指标，该指标可能是产品众多指标中的某一性能指标，也可能是其中的多个性能指标。这些指标能够表述成参数的相应函数形式或者利用试验确定其函数关系。通过选择系统参数的最佳组合，尽量减小内外部和产品的干扰，使质量特性波动减到最小。

2）根据确定的产品质量特性影响因素的类型、个数，从而建立起产品的质量特性与影响因素之间的数学关系模型或表达式。即是根据各参数波动的程度对产品质量特性贡献的大小，从经济性的角度确定最符合经济效益的容差的大小。图6-50反映了稳健设计的控制策略。

图6-50 稳健性设计控制策略示意图

3）确定稳健设计类型及方法。根据前面确定的参数及影响因素来选择最合理的稳健设计的方法，确保产品质量的损失达到最合理的模式，并在此基础上寻求稳健设计的最优解，得到产品的稳健设计方案。稳健设计就是寻找一种设计方案，使得设计出的产品性能满足一定的需要，而性能波动又相对较小。

4）把理论应用到实际中。把质量设计到产品中，从质量损失和经济性角度进行质量设计，真正实现低成本、高品质的设计效果。

由上述四个步骤可以总结到：第一个步骤主要是进行系统设计，此为稳健设计的基础；第二、三个步骤主要是进行参数设计，寻求最优的参数组合，此阶段为核心设计阶段；第四个步骤主要是进行容差设计，对系统各元件的最佳参数组合进行选择，确保在以最合理、经济的参数组合达到最优化的设计。此阶段的目的是将稳健设计经济化。稳健设计的基本流程如图6-51所示。

图6-51 稳健设计流程图