稳健设计方法用于车门系统设计

作者：黄金陵 崔岸 陈晓华 葛安林

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 一、前言 传统的车门设计方法依赖于设计师的经验和过去积累的数据，设计出初步方案，然后通过有限元方法分析比较产品的设计性能；将设计控制在技术标准的要求范围。 对于一个设计因素复杂的系统，由于载荷条件或使用环境的不确定性，传统的方法难以保证设计性能的可靠性。如使劲推开车门；进/出门时挤压车门;由于斜坡或路缘使车门打开时，门底部受顶撞；或暴风力吹开门等等是使用车辆时常发生的事。这些非确定性载荷易造成车门悬挂系统变形，使车门下沉，影响门的关闭功能和门边配合的平齐度。尤其是在结构轻量化的要求下，由于减轻质量，当略有超载或制造偏差时，就可能丧失功能，损失安全性和耐久性；使设计师面临许多挑战[1]。因此，随着对产品质量要求的提高，引入新的稳健的设计方法。 二、Taguchi参数设计方法[2] 产品性能与许多因素有关，当某因素发生微小变化时，产品性能亦随之变化。如果性能变化很小，则认为该产品性能对该因素的变化是不敏感的，或者说产品性能对该因素的变化具有稳健性（robust-ness）。工程稳健设计也称鲁棒设计（engineering robust design），应使产品性能对某些因素的变化不十分敏感。比如，对使用环境变化不敏感，就可以提高产品使用的可靠性，赢得客户的信赖和商品价值。 近些年来，以正交试验设计（design of experiment，DOE）为基础的Taguchi参数设计方法和以方差分析为基础的容差设计，逐步成为产品质量稳健设计的重要工具。 Taguchi参数设计方法将试验设计与计算分析相结合，获取产品设计质量特性信息。它涉及到试验结果（即响应）变量的选取，影响响应变量的因素（或称试验因素）及其水平值的选择，试验安排，信息数据获取和数理统计分析，确定试验最佳结果——即获得最佳参数的组合。 正交表是试验设计的基本工具，是一些已经制作好的规格化的表，或称DOE矩阵。正交试验步骤如下：（1）确定试验因素的个数及每个因素变化的水平数；（2）分析各因素间是否存在交互作用，哪些必须考虑，哪些可以忽略；（3）确定需要进行的大概试验次数，选用适合的正交表，安排试验。 在正交试验时，根据试验的目的选择每个因素水平数。如果试验是要详细观察各因素的影响，则每个因素应多取几个水平；如果试验仅是考虑因素影响的趋势，则因素水平就可以少取一些。对于每个试验因素xi 在区间[x上i ，x下i]内水平值的划分，一般可以采用等距或等比的方法。 三、Taguchi稳健设计方法在车门系统设计中的应用 （一）车门结构对车门下沉量的影响 车门悬挂系统（即铰接系统）包括车身铰链柱、铰链和车门3个子系统。通常，设计时应考虑到铰接系统可能经受暴风吹开车门或路缘顶起车门等偶然性载荷，以及铰接系统装配调整时和客户使用车门时滥加的载荷，这些载荷将转变为对车门铰接系统和对限位器系统的刚度要求。如果系统垂直刚度不足，会导致车门因变形而下沉，从而影响车门和门框的间隙及表面平齐度，使车门关闭费力和密封性变差。因此在稳健设计中应以系统的垂直刚度性能为目标，要求车门下沉量越小越好。各大汽车公司对此性能都有各自明确的要求，如通用汽车公司要求车门边缘垂直挠度（弹性变形）不得大于16mm，而永久变形（车门下沉量）不得超过1.6mm。 作者对白车门进行试验设计，研究车门结构对车门下沉量的影响，筛分出车门可控制因素对产品性能影响的程度，以利于有效控制因素的最佳组合。 1．试验方案的制定与安排 根据所关心和需要了解的设计问题，提出与车门铰接设计相关的8个车门控制因素及其组合的3个控制水平，见表1。控制水平包括可能的设计选择或控制因素的尺寸。按照8个设计参数和3个水平数，全面试验需要进行21×37=4374 个组合试验，评估这些组合需要花费大量时间和资源。考虑达到稳健性需要多少个正交排列，选用合适的正交表。作者分析比较18个车门设计方案的车门下垂和下沉量（质量特性），由于A因素（拉延深度）只有两种水平，因此选用不等水平的正交表L18（21×37）。表2所示为L18 DOE矩阵，2～9列中的1、2、3代表每个控制因素的控制水平。表中还列出了车门质量和成本的计算结果。 2．有限元计算分析模型 车门有限元模型如图1所示，固定铰链合页位置门的全部自由度，下垂分析是在车门内板质心处施加垂直向下载荷P=20kg；下沉分析是在质心处作用P1=40kg的载荷，同时在车门闩位置加P2=150kg垂直向下的载荷；分别计算出车门门闩处的垂直位移，即车门的下垂量和下沉量。 3．试验设计结果分析 （1）正交表的响应均值分析 为了研究因素水平变化对产品质量特性的影响，首先计算对应每个因素各水平的平均响应值，并作响应图（各因素水平与试验结果的关系图，表示各因素水平级对响应的影响趋势）。图2和图3分别为车门下沉和车门质量的响应图。 对应1级水平（激光拼焊板）、2级水平（整体铰链加强板）、3级水平（分布铰链加强板）的B1、B2、B3，车门下沉量的平均响应值TB1、TB2、TB3分别为 其余以此类推。 比较这些平均响应值，可以看出各个因素对响应特性的影响，以及每个因素不同水平之间的极差。 如对该车门下沉量影响较大的因素是B、D、E三个因素；B因素的极差RB=1.468 9–1.244 2 =0.2247，而E因素（内板切口）的极差最大，RE=0.2450。极差大说明变更该因素对设计响应特性会有较大的影响（敏感），改变参数值要慎重。极差小的因素是F、G、H三个因素，说明腰带梁板厚、抗撞梁板厚和门外板板厚，对车门下沉影响不大，可以按其他条件选取其参数值。 根据试验目的，从响应图中找出每个因素的最佳点（车门下沉量的最低点）， 并将其组合，A1B2C3D3E1F1G2H2为参数的最佳组合。其相应的水平如下。 A1——采用125mm的门内板拉延深度。 B2——铰链加强板采用整体式结构。 C3——铰链加强板厚度取2.6mm。 D3——门内板板厚取0.85mm。 E1——门内板不开切口。 F1——腰带梁板厚取1.0mm。 G2——抗侧撞梁的板厚取2.6mm。 H2——门外板板厚取0.80mm。 其中门内板拉延深度能否取用125mm，还需要考虑许多车门布置上的因素;门内板不开切口显然也是不可能的，只能要求开口最小化。而且由表2可看出该组合方案不是质量最轻，成本最低的方案，因此需要适当调整;采用整体铰链加强板对提高刚度有利，但质量较大；如用激光拼焊板取代铰链加强板也可以保证所需的刚度，而且质量和成本下降。调整时还要注意各因素对响应值的敏感性。 （2）试验数据的方差分析[2-3]试验数据的方差分析用于确定设计因素对偏差的贡献程度。也就是说，通过方差分析，可以计算出各因素对响应的贡献率，定量给出因素的主次关系。 参数的最佳组合主要考虑贡献率大的主要因素及其相应的水平，并进行控制和调整；而对那些次要因素可以根据其他条件确定，以便获得最佳的设计方案。图4为各因素对车门下沉的贡献率。 （二）设计参数对车门铰接系统质量特性的影响 选用L18（21×37）不等水平正交表，8个控制因素和3个水平如表3所示，表中x、y、z分别为车身坐标系方向。目标质量（响应）特性的要求是：门后下角的位移和车门及车身门柱上合页附近的应力值愈小愈好；求最佳参数的组合。 计算分析用整个系统有限元模型，包括白车门、铰链和车身铰链柱3个子模型；所有部件用板单元模拟；螺钉连接、焊接和所有零件之间局部接触处用刚体单元；垂直载荷作用于门闩。用MSC2NAS2TRAN对DOE矩阵中18种方案进行计算。 计算结果与原铰链分析比较表明，新设计铰链使车门垂直位移很好地满足要求，而车门应力和车身加强板应力分别减少87%和34%[4]，因此铰链系统更加稳健，并说明原结构有减轻质量的潜力。 四、结论 应用Taguchi参数设计方法，可以识别对设计质量特性影响大的控制因素，进行设计参数的最佳组合，增强产品质量的稳健性，降低各种设计、制造、材料等偏差和环境变化带来的风险，提高产品合格率和商品价值。 稳健设计方法是提高产品质量的有力工具。但对于复杂的结构，一些难以控制的因素（称噪声因素）或一些因素之间的相互作用会影响DOE评估的结果。所以如何识别因素的交互关系和噪声因素还有待研究。对于车门铰接系统，还应该进一步研究限位系统的刚度对性能影响，材料的非线性对永久变形的影响等。 参考文献 [1] Singh Kaushlendra， et al. Door Open Overload: Margin And Flushness Approach[C].SAE Paper 1999-01-3152. [2] 陈立周.稳健设计[M ].北京:机械工业出版社，1999. [3] Vlahinos Andreas，Kelkar Subhash G. Designing for Six-Sigma Quality with Robust Op timization Using Cae [C]. SAE Paper 2002-01-2017. [4] Bashar S，Kamat A，Lange R. Analytical Robust Door Hinge System Design Taguchi App roach[C]. SAE Paper 982306.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/28/2007)