轨道交通RAMS工程基础-健壮设计方法

健壮设计是这样一种系统设计方法，它使所设计的系统性能对制造过程中的波动或其工作环境（包括维护、运输和储存）的变化是不敏感的，而且尽管零部件会漂移或老化，系统仍然在其寿命期间以可接受的水平持续工作。健壮设计是使所设计的产品（或工艺）无论在制造和使用中当结构参数发生变差，或是在规定寿命内结构发生老化和变质（在一定范围内）时都能保持产品性能稳定的一种工程设计方法；或者换一种说法，若做出的设计即使在经受各种因素的干扰下产品质量是稳定的或者用廉价的零部件能组装出质量上乘、性能稳定的产品，则认为该产品是健壮的。目前，许多工业国家都已经把健壮设计推荐为提高和改进产品质量的一种有效的工程方法。

目前工程健壮设计方法一般可分为两类：一类是以经验或半经验设计为基础的方法，称为传统的健壮设计方法如Taguchi健壮设计法（20世纪70年代末、80年代初由日本学者G.Taguchi田口玄一博士所创立）和响应面法等；另一类是以工程模型为基础，同时与优化技术相结合的一种健壮优化设计方法，如容差多面体法、灵敏度法、变差传递法或随机模型法等，在这里简单作一下介绍：

1.Taguchi法

Taguchi法又称损失模型法或三次设计法。此方法强调任何一种产品或一个过程的设计都必须经过系统设计、参数设计和容差设计三个阶段。通过用正交表对设计参数及其所设定的容差大小安排进行试验，模拟设计参数和噪声参数对产品质量的干扰，并用望目损失函数和望目特性的信噪比的大小，作为衡量产品质量特性的稳定性指标，以确定设计变量值及其容差的合理搭配，确保所生产的产品获得质量特性的稳定性。

2.响应面法

响应面法或响应模型法来源于70年代的统计试验设计法，其设计思想领先于Taguchi法，它可以同时处理含有设计参数和噪声参数对产品质量的影响问题。是欧美国家近年来比较流行的一种工程健壮设计方法。该法一般分参数筛选、区域寻找和优化三个阶段进行。此方法如果遇到噪声参数相关和参数的维数较高时，将会使模型的拟合变得非常复杂和困难。因此，现时流行使用的是计算机试验设计和分析的策略。这样，设计人员通过CAD/CAE软件就可以比较容易地控制产品的设计质量。

3.容差多面体法

一般地说，容差越大，产品的成本就越低。因此，容差多面体法的基本思想是通过调整设计变量及其容差的大小，来提高产品对一些因素干扰的不灵敏性。此方法的缺点是只考虑可控因素变差的影响，因此，比较适用于容差设计问题，如按“最坏情况”的容差最优设计等。(www.xing528.com)

4.灵敏度法

健壮性是指产品质量性能指标，对可控因素和不可控因素变差影响的不灵敏性。因此，可利用灵敏度分析理论来进行产品的健壮设计。一般可分为灵敏度分析法和最小灵敏度法。用灵敏度法进行健壮设计是一种未考虑设计变量容差的方法。

5.变差传递法

变差传递法类似于误差分析中的误差传递法，即可控因素x和不可控因素y所发生的变差，都将传递给反映产品质量的性能函数，引起质量性能指标的波动。这种方法只适用于当可控因素和不可控因素变差较小的情况。

6.随机模型法

由于可控因素和不可控因素大多具有随机性，因此采用随机模型进行工程健壮设计有着重要的应用价值。其间所采用的健壮优化设计一般应包含两层含义：一是最优解的可行健壮性，即当可控因素与不可控因素发生变动时，设计解仍保证是可行的；二是质量性能指标的健壮性，即对可控因素与不可控因素变动的影响是不灵敏的。