CN109255205B - 一种基于功能稳健性的复杂机械系统方案设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于功能稳健性的复杂机械系统方案设计方法，该方法的步骤为：1.需求的获取和分析，2.机械系统功能定义，3.机械系统方案中的功能分析，4.根据需求重要度排序和功能重要度排序，确定重要功能和附加功能；5.对重要功能进行独立和解耦设计，6.在机械系统方案设计中，对附加功能的实现进行方案设计，7.形成机械系统方案的设计方案，该方法的优点是能够从需求的角度出发，对复杂机械系统进行功能可靠性设计，从方案设计阶段提升了系统功能的健壮性，在方案设计阶段提升系统固有可靠性，可以为详细设计提供稳健的输入，指导复杂机械系统的方案设计，有效了提升了机械系统的设计效率，节约机械系统设计的费用。

Description

一种基于功能稳健性的复杂机械系统方案设计方法

技术领域

本发明是一种基于功能稳健性的复杂机械系统方案设计方法，属于机械系统可靠性设计领域。

背景技术

机械产品设计是一个复杂的过程，尤其随着现代机械产品功能要求越来越多、结构组成越来越复杂、性能指标要求越来越高，对可靠性的设计保证也提出了更高的要求和更大的挑战。传统的机械产品设计过程包括指标论证、方案设计、样机设计、工程研制等阶段，如何在设计阶段尤其是方案设计阶段保证其可靠性，是进行复杂机械产品可靠性设计的一个重要内容，同时也可以节省产品设计周期和设计成本。基于稳健性的设计方法是进行机械产品可靠性设计的一个重要分支，目前的稳健性设计主要是针对方案详细设计阶段，也就是在方案设计定型以后，对设计参数进行稳健性优化，而专门针对用户需求-功能稳健性的设计方法目前还有所欠缺。这是因为在功能和方案初步设计阶段，由于信息量太少，难以进行稳健性量化；另一方面，功能和方案初步设计过程中大量的主观信息和经验信息又无法在可靠性设计中科学合理的利用。

针对方案初步设计阶段，即考虑用户需求，将其结合到机械产品的功能稳健性设计当中，对产品的功能进行分析和评价，是目前发展的一个重要方向，为此，在机械系统方案设计上所涉及的技术内容包括以下几个方面：

1重要度及分析方法

重要度是度量产品在一个任务或环境中重要程度的概念。在复杂系统中，重要度分析一般运用层次分析法，分析过程的如下：

1)将含义和内容相同的需求信息加以合并，以避免重复，形成最下层的用户需求项；

2)将含义和内容相近的需求项集中在一起，加上概括其内容的名称，作为高一级的用户需求项；

3)将第(2)步得到的用户需求按内容相近程度再集中到一起，加上代表性名称，形成更高一级的用户需求项，如有必要，可继续归并，直到用户需求被系统而分层次的组织起来。

4)利用层次分析进行需求重要度的排序。对m个同一层次的用户需求，通过两两比较，构造判断矩阵

其元素a_ij(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,m)为第i项用户需求与第j项用户需求相比较，在实现用户满意度上的相对重要程度，有a_ij＝1/a_ji。

为了使各因素之间进行两两比较得到量化的判断矩阵，常引入1～9的标度，见下表1。

表1标度及其定义

确定判定矩阵的最大特征值对应的特征向量W＝(w₁,w₂,…,w_m)，计算公式为

w_i即为第i项用户需求的重要度。

如果比较判断矩阵M是相容矩阵，则特征向量W就是用户需求的相对权重向量。然而人们对复杂事物的各因素，采用两两比较时，不可能做到判断的完全一致性。因此，需要对判断矩阵进行一致性检验。一致性指标(CI)的定义如下：

当判断矩阵的最大特征值λ_max＝m，CI＝0，为完全一致；CI值越大，判断的一致性越差。为了放宽对高维判断矩阵一致性的要求，引入修正值RI，见表2.并取更为合理的CR为衡量判断矩阵一致性的指标

表2 RI的取值

维数	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										RI	0.00	0.00	0.58	0.90	1.12	1.24	1.32	1.41	1.45

2功能故障模式影响及危害分析

功能故障模式影响及危害性分析(功能FMECA)方法是对产品功能设计中所有的故障模式、原因及影响进行分析，并针对其薄弱环节，提出设计改进和使用补偿措施的一种方法。功能FMECA方法适用于产品的构成尚不确定或不完全确定时，一般用于产品的论证、方案阶段或工程研制阶段早期。

实施功能FMECA的一项重要工作是进行系统定义。完整的系统定义可概括为产品功能分析(含系统的任务功能与工作方式、系统剖面、任务时间)和绘制产品框图(功能框图、任务可靠性框图)。

功能FMECA的工作流程如图1所示：

首先根据功能的各个层次，进行功能故障判据的定义。功能故障判据的原则：

1)产品在规定的条件下，不能完成其规定的功能；

2)产品在规定的条件下，一个或几个性能参数不能保持在规定的范围内；

3)技术合同中订购方规定的其他故障判据等。

功能FMEA的一项重要活动就是潜在功能故障发生的风险优先级数评价爱，依据故障判据，进行各个层次的功能故障影响分析(同一层次的影响，对上一层次的影响和最终影响)。潜在功能故障模式的概率发生等级和严酷度进行综合评判：

RPN＝OPR×ESR (5)

式中，OPR为潜在功能故障模式的概率发生等级；ESR为潜在功能故障模式的严酷度等级。

建议的OPR和ESR分类如下表3和表4所示。

表3故障模式发生概率等级(OPR)的评分准则

表4影响的严酷程度等级(ESR)的评分准则

3公理化设计理论

公理化设计理论是由美国麻省理工学院的N P Suh教授于1977年提出的一种新的工程设计解决方案。1990年，N P Suh发表了专著《The Principle of Design》，正式提出了公理化设计(Axiomatic Design)的概念。

公理化设计理论中最重要的两条公理分别为：独立公理和信息公理。独立公理是保证设计功能需求的独立性；信息公理是在满足独立公理的所有设计方案中，最优的设计所含有的信息内容最少。在公理化设计中，域的概念是一个非常重要的概念，贯穿于整个设计过程。在公理体系中，设计过程分为四个不同的域：

(1)用户域(Customer Attribute，CA)

表示用户所要求的产品属性，

(2)功能域(Functional Requirements,FR)

表示设计方案应实现的一系列功能

(3)物理域(Design Parameters,DP)

表示满足功能域要求的设计参数的集合

(4)过程域(Process Variables,PV)

表示根据物理域设计参数而制定的工艺过程变量

在公理化设计过程中，各个域之间存在的映射关系，一般称为Z字形映射。域之间的映射关系即可以实现各个域之间的关联，如图2所示。

5系统稳健性的评价模型

系统稳健性，也称为系统的坚固性或鲁棒性，是衡量一个系统能从各种出错条件下会服的能力。引起出错的条件可以是来自系统的内部，也可以是来自系统的外部。

1)系统波动及其影响因素。

(1)可控因素，是指大小(或水平)可以比较，且人为地选择或控制的影响因素

(2)标示因素，是指使用产品时外界环境因素、使用条件等。它们的数值(或水平)在技术上虽然可以确定，但不能主观加以选择和控制

(3)信号因素，是为实现某种需求而选取的对产品输入的改变，它是按专业需求和实际经验而确定的，不能随意指定

(4)区组因素和误差因素。其中区组因素有大小之分，但无技术上的意义。它是试验设计时为减少试验误差而确定的因素。误差因素是除上述因素以外对系统特性有影响的其他因素的总称。

2)系统稳健性信噪比模型

设产品的系统特性γ在诸因素的作用下为一个随机变量，它的数学期望为μ，方差为σ²。一般情况下，希望μ值越接近目标值越好；同时也希望σ²越小越好，在稳健性评价中，通常用信噪比SN模型加以度量如下:

式中μ²看作信号，σ²看作是噪声。从上式可以看出，当μ一定的情况下，σ²越小，η越大。因此η越大，系统波动越小，系统越稳健。系统稳健性的核心思想是系统能够抗干扰，保持系统本身的特性。经典的稳健性评价模型建立在变量的随机特征量化的基础上。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种基于功能稳健性的复杂机械系统方案设计方法，该方法的步骤如下：

步骤一、需求的获取和分析

针对复杂装备系统，需求的获取主要是收集客户的需求，主要通过现场观察和问卷调查的途径来进行需求的获取，现场观察主要是对相似产品的使用情况进行实地观察，记录系统相应的功能状态，然后转化为功能需求，问卷调查主要是以问卷的形式向客户直接了解其需求并进行记录；

从用户方获取对机械系统方案上的需求，完成收集后，对功能需求进行重要度分析，得到功能需求重要度I_C，并得到需求重要度排序；

步骤二、机械系统功能定义

根据上述需求，对机械系统方案进行功能的定义和描述；

根据顾客需求进行功能分层定义，方式如图3所示，进行功能的定义，并且初步确定各个层次功能之间的逻辑关系，并列出系统的功能表，如下表所示：

步骤三、机械系统方案中的功能分析

此步主要是根据机械系统的功能的定义，对功能进行故障模式及影响分析，然后依据故障判据，进行各个层次的功能故障影响分析，包括同一层次的影响，对上一层次的影响和最终影响，得出功能重要度I_F的排序；

在机械系统功能故障模式及影响分析过程中的故障判据还包括：

(1)产品在规定的应力范围内工作时，导致产品不能满足其规定要求的破裂、卡死等损坏情况；

(2)机械系统中由于零部件的磨损、泄露等导致精度超差的情况；

(3)机械系统中由于控制导致不能实现既定的功能的情况。

步骤四、根据需求重要度排序和功能重要度排序，确定重要功能和附加功能；

用户需求重要度为I_C，功能重要度为I_F，建立如下的模型来确定产品功能的最终重要度排序：

I＝αI_C+βI_F

式中，I表示系统中功能的最终重要度，α，β分别为权重系数。在机械系统方案设计过程中，α的取值范围为0.1～0.6，β的取值范围为0.4～0.9，通过上述公式，重要功能定位在所有排序的前10％～20％，其余为附加功能；

步骤五、对重要功能进行独立和解耦设计。根据公理化设计理论，对重要功能的实现采用独立设计，该独立设计应包括以下原则之一：

1)在机械系统方案设计中，对重要功能进行空间独立设计；空间独立是指机械系统在空间布局设计过程中各个部件的物理独立；

2)如果在机械系统方案设计中，无法对重要功能进行空间独立设计，则对重要功能进行时间独立设计；时间独立是指机械系统的部件在功能实现的时间的独立；

3)上述两原则均无法实现的情况下，通过第三介质的参与对重要功能进行相对独立设计；第三介质是指没有直接功能需求、额外加进去的辅助部件；相对独立是指机械系统的部件之间具有相关性，部件和第三介质结合后具有独立性；

步骤六、在机械系统方案设计中，对附加功能的实现进行方案设计；

步骤七、形成机械系统方案的设计方案。

发明的优点和积极效果

该方法的优点在于：

1)该方法能够从需求的角度出发，对复杂机械系统进行功能可靠性设计；

2)该方法从方案设计阶段提升了系统功能的健壮性，在方案设计阶段提升系统固有可靠性

3)该方法可以为详细设计提供稳健的输入，指导复杂机械系统的方案设计，有效了提升了机械系统的设计效率，节约机械系统设计的费用。

附图说明

图1为功能FMECA步骤

图2为公理化设计过程中各类域及相互关系

图3为系统功能定义

图4为方法的流程图

图5为综合传动系统功能分析

图6为综合传动系统方案图

以下将结合附图和实施列对本发明技术方案作进一步地详述：

下面以某型综合传动装置的功能稳健可靠性设计为例，采用本发明方法进行机械系统方案设计的步骤如下，方法步骤如图4所示：

步骤一、需求的获取和分析

针对复杂装备系统，需求的获取主要是收集客户的需求，主要通过现场观察和问卷调查的途径来进行需求的获取，现场观察主要是对相似产品的使用情况进行实地观察，记录系统相应的功能状态，然后转化为功能需求，问卷调查主要是以问卷的形式向客户直接了解其需求并进行记录；

从用户方获取对机械系统方案上的需求，完成收集后，对功能需求进行重要度分析，得到功能需求重要度I_C，并得到需求重要度排序；

1首先进行需求说明

按照相似产品和任务要求，确定用户需求。经过需求合并后，得到的顾客需求项如下表5所示。

表5顾客需求及描述

进行功能重要度的分析和排序。基于背景技术中的AHP方法，得出其用户需求的重要度如下表6所示。

表6顾客需求的重要度排序

步骤二、机械系统功能定义

根据上述需求，对机械系统方案进行功能的定义和描述；对车辆综合传动装置，系统功能架构分解如图3所示，形成了综合传动装置功能的逻辑关系。根据表5的需求项，得出综合传动装置的各级功能定义，进行功能特征描述。如下表7所示。

表7系统的功能特征及描述

步骤三、机械系统方案中的功能分析

此步主要是根据机械系统的功能的定义，对功能进行故障模式及影响分析，然后依据故障判据，进行各个层次的功能故障影响分析，包括同一层次的影响，对上一层次的影响和最终影响，得出功能重要度I_F的排序；

在机械系统功能故障模式及影响分析过程中的故障判据还包括：

(1)产品在规定的应力范围内工作时，导致产品不能满足其规定要求的破裂、卡死等损坏情况；

(2)机械系统中由于零部件的磨损、泄露等导致精度超差的情况；

(3)机械系统中由于控制导致不能实现既定的功能的情况。

以某车辆完成60公里的越野和爬坡的典型任务作为最终影响的顶事件，在任务执行过程中需要实现加减速、转向和爬坡、制动的阶段任务。只有所有的阶段任务都成功才能够表示任务成功了。系统的所有功能如图5所示。针对这些功能进行功能故障影响分析。

1)功能的故障影响分析：

表8系统的功能影响分级

序号	功能特征	故障严酷程度
			1	大功率直驱变速	10
1.1	分级传动比	10
			1.2	离合	10
2	转向	10
			2.1	差速	10
2.2	助力	10
			3	制动	10
3.1	刹车	10
			3.2	助力	10
4	辅助驱动	5
			4.1	压气机驱动	5
4.2	风扇驱动	3
			5	控制	8
6	报警	7
			7	易维修	6
8	结构紧凑	3
			9	效率高、环保	3

2)功能潜在发生的概率等级

根据相似产品的历史故障数据以及技术应用的成熟度，来对故障发生概率等级进行打分；

表9系统功能潜在故障发生等级评定

可以确定各个功能项的重要度排序为：

RPN＝OPR×ESR

得到最终的排序为：

表10基于FMECA的系统功能重要排序

排序	功能特征	故障严酷程度
			1	离合	100
2	刹车	100
			3	大功率直驱变速	80
4	制动	80
			5	分级传动比	70
6	转向	70
			7	差速	70
8	助力(转向)	70
			9	助力(制动)	70
10	控制	64
			11	报警	49
12	易维修	64
			13	辅助驱动	25
14	压气机驱动	25
			15	风扇驱动	9
16	结构紧凑	9
			17	效率高、环保	9

步骤四、根据需求重要度排序和功能重要度排序，确定重要功能和附加功能；

用户需求重要度为I_C，功能重要度为I_F，建立如下的模型来确定产品功能的最终重要度排序：

I＝αI_C+βI_F

式中，I表示系统中功能的最终重要度，α，β分别为权重系数。在机械系统方案设计过程中，α的取值范围为0.1～0.6，β的取值范围为0.4～0.9，通过上述公式，重要功能定位在所有排序的前10％～20％，其余为附加功能；

在综合传动装置设计过程中，令α＝0.6，β＝0.4，根据表6中用户重要度和表10中综合传动装置的功能重要度，得到综合传动系统最终的功能重要度排序为：

表11综合传动装置功能最终重要度排序

从上述的最终重要度排序可以知道，在综合传动装置的所有功能中：综合传动系统的重要功能为：直驱变速的离合功能+传动、制动的刹车+助力；其余为附加功能。

步骤五、对重要功能进行独立和解耦设计。根据公理化设计理论，对重要功能的实现采用独立设计，该独立设计应包括以下原则之一：

1)在机械系统方案设计中，对重要功能进行空间独立设计；空间独立是指机械系统在空间布局设计过程中各个部件的物理独立；

2)如果在机械系统方案设计中，无法对重要功能进行空间独立设计，则对重要功能进行时间独立设计；时间独立是指机械系统的部件在功能实现的时间的独立；

3)上述两原则均无法实现的情况下，通过第三介质的参与对重要功能进行相对独立设计；第三介质是指没有直接功能需求、额外加进去的辅助部件；相对独立是指机械系统的部件之间具有相关性，部件和第三介质结合后具有独立性；

根据以上步骤的分析，根据公理化设计准则，这三个重要功能在进行方案实现过程中要相对独立，即功能的解耦。方案设计过程中，各级传动比、制动、离合的传递路线在空间上相对独立，分别按照各自的运动和功率的传递路径，以避免故障的相互传播。在方案设计中，实现传动比的方案为齿轮传递；制动为液压离合器，制动为液压驱动的制动盘。如图6所示。

步骤六、在机械系统方案设计中，对附加功能的实现进行方案设计；

次要功能的方案可以附加在主要功能之上，如压气机驱动和风扇驱动可以通过直驱传动链输出，控制和报警系统附加在各个主要功能之上。差速系统附加在直驱变速的传动链上。如图6所示。

步骤七、形成机械系统方案的设计方案，进行综合传动装置的设计方案的功能稳健性和可靠性定性评价和审查。评价原则包括如下三条：

(1)方案中是否存在潜在的功能缺陷

(2)方案中主要方案是否实现了主要功能的独立性

(3)方案是否按照要求满足了各项客户的需求

经过以上准则，对于主要功能的方案和附加功能的方案进行评价，得到总体的方案设计满足了稳健性和可靠性的定性要求。综合传动装置的设计方案定型如下图6所示。

将以上的综合传动装置设计方案应用到我国某型重型车辆综合传动装置的研制过程中，统计表明，综合传动装置主要功能的故障率的到了极大的改善。在运行过程中，有效地避免综合传动装置由于功能耦合引发的衍生故障问题，从设计上提升了综合传动装置的固有的稳健性。

Claims (1)

1.一种基于功能稳健性的复杂机械系统方案设计方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

步骤一、需求的获取和分析

从用户方获取对机械系统方案上的需求，完成收集后，对功能需求进行重要度分析，得到功能需求重要度I_C，并得到需求重要度排序；

步骤二、机械系统功能定义

根据上述需求，对机械系统方案进行功能的定义和描述；

步骤三、机械系统方案中的功能分析

此步主要是根据机械系统的功能的定义，对功能进行故障模式及影响分析，然后依据故障判据，进行各个层次的功能故障影响分析，包括同一层次的影响，对上一层次的影响和最终影响；得出功能重要度I_F的排序；

在机械系统功能故障模式及影响分析过程中的故障判据还包括：

(1)产品在规定的应力范围内工作时，导致产品不能满足其规定要求的破裂、卡死等损坏情况；

(2)机械系统中由于零部件的磨损、泄露等导致精度超差的情况；

(3)机械系统中由于控制导致不能实现既定的功能的情况；

步骤四、根据需求重要度排序和功能重要度排序，确定重要功能和附加功能；

用户需求重要度为I_C，功能重要度为I_F，建立如下的模型来确定产品功能的最终重要度排序：

I＝αI_C+βI_F

式中，I表示系统中功能的最终重要度，α，β分别为权重系数； 在机械系统方案设计过程中，α的取值范围为0.1～0.6，β的取值范围为0.4～0.9，通过上述公式，重要功能定位在所有排序的前10％～20％，其余为附加功能；

步骤五、对重要功能进行独立和解耦设计

根据公理化设计理论，对重要功能的实现采用独立设计，该独立设计应包括以下原则之一：

1)在机械系统方案设计中，对重要功能进行空间独立设计；空间独立是指机械系统在空间布局设计过程中各个部件的物理独立；

2)如果在机械系统方案设计中，无法对重要功能进行空间独立设计，则对重要功能进行时间独立设计；时间独立是指机械系统的部件在功能实现的时间的独立；

3)上述两原则均无法实现的情况下，通过第三介质的参与对重要功能进行相对独立设计；第三介质是指没有直接功能需求、额外加进去的辅助部件；相对独立是指机械系统的部件之间具有相关性，部件和第三介质结合后具有独立性；

步骤六、在机械系统方案设计中，对附加功能的实现进行方案设计；

步骤七、形成机械系统方案的设计方案。

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