微机电系统产品非正态多质量特性的稳健设计方法

针对温度噪声和设计参数随机性下的微机电系统(MEMS)产品非正态多质量特性波动问题,提出一种基于广义线性模型和基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)的稳健设计方法。在样本数据建模阶段将双响应曲面引入广义线性模型中,来构建MEMS产品非正态多质量特性均值模型和方差模型,克服以往研究中对非正态转换方法下的复杂高维非线性模型信息失真的局限性,从理论上体现了MEMS产品非正态质量特性处理方法的严密性和有效性。在此基础上,提出MOEA/D优化策略,解决多质量特性冲突、离散和温度噪声条件下的模型求解问题。通过算例证明所提方法可以降低温度噪声和设计参数随机性对MEMS产品非正态质量特性的影响,同时表明该方法解决不确定性环境下的多质量特性决策问题是有效的。     

考虑主客观权重和质量损失的多元稳健设计模型

针对多元稳健设计中如何确定权重和建立优化模型的问题,提出了考虑主客观权重和质量损失函数的多元稳健设计模型。在利用质量损失度量多质量特性稳健性的基础上,利用Kendall协同系数检验的方法对专家打分的分数进行一致性检验,其次根据通过检验的分数计算各质量特性的主观权重;同时,利用熵权理论确定不同质量特性的客观权重;然后将主观权重与客观权重线性加权得到综合权重。另外,在拟合回归模型时充分考虑了拟合模型的有效性及回归系数的显著程度。通过实例说明该方法可以突破试验范围的限制,寻找全局最优解。     

基于改进满意度函数法的双响应曲面稳健设计优化

针对双响应优化设计中如何权衡每个响应的权重缺乏理论依据、没有考虑优化模型结果的稳健性和最优性的难题,提出了基于改进的满意度函数法双响应曲面稳健设计新方法。通过引入熵权理论对传统双响应曲面主要凭经验确定权重的方法进行了改进,构建了改进的综合满意度函数,并采用广义降阶梯度法优化对其求解,实现了将双响应优化问题转化为求综合满意度函数最大值的简化问题。实例表明,采用该方法能够得到全面稳健优化的设计方案,验证了该方法的有效性。     

改进质量损失函数的多响应稳健优化设计

针对传统的多响应优化方法很少同时考虑到优化结果的最优性与稳健性以及容易忽视各个响应质量损失的问题,通过引入双响应曲面法的思想,提出了一种基于改进质量损失函数的多响应稳健优化设计新方法。通过双响应曲面法与多变量质量损失函数的相互结合,同时考虑了各个响应的均值和方差,首先通过拟合各个响应的均值回归方程和方差回归方程并将其结合到多变量质量损失函数中,然后通过主客观权重法科学设置各响应均值和方差质量损失的权重,最后将多响应的稳健优化问题转化为求解综合质量损失最小值的问题。以细胞注射3自由度柔顺并联微动平台中的双曲柔性铰链为研究对象进行研究,结果表明,该方法能够有效地解决具有多个响应问题的稳健优化,为多响应稳健优化设计提供新的思路。     

基于改进满意度函数的柔顺机构多响应稳健优化设计

针对细胞注射3-RRR柔顺并联微动平台多响应设计中没有同时考虑稳健性与最优性的难题,通过引入双响应曲面法的思想,提出了一种基于改进满意度函数的多响应稳健优化设计。该方法首先建立了微动平台多方向的铰链柔度运动模型,在此基础上进行响应曲面试验设计;然后引入双响应曲面考虑了多响应的均值与方差,并拟合出多响应均值和方差的曲面模型;最后通过满意度函数将多响应问题转化为求综合满意度函数最大值的简化问题,得到了满足约束条件的稳健性优化设计方案。实例表明:该方法可以为柔顺机构的多响应稳健优化设计提供一种新的途径。     

基于灰熵法的柔顺机构多响应稳健优化设计

针对柔顺机构的刚柔特性及结构参数与响应特性之间存在相关性不确定,导致其多响应权重难以确定的问题,提出灰熵法应用到柔顺机构的多响应稳健优化设计过程中,选取单边混合型柔性铰链为研究对象,结构参数作为可控因子进行稳健设计,采用有限元分析得到仿真试验结果。然后根据柔度的望目特性构造出多目标函数,进行回归分析得出各柔度信噪比与结构参数之间的拟合关系,建立了灰熵模型,利用熵权法计算各柔度的权重,并采用灰色关联法进行修正。最后将不同权重确定方法下的最优结构参数组合、各向柔度及其信噪比进行比较,验证了灰熵法的可行性。     

基于熵权理论和满意度函数法的柔顺机构多响应稳健优化设计

以细胞注射3自由度柔顺并联微动平台为研究对象,针对微纳机构多响应稳健优化设计中确定各响应权重缺乏理论依据,难以对各设计方案进行全面客观评判差异性的问题,通过建立微动平台多方向的铰链柔度运动模型,引入熵权理论和满意度函数方法来破解微纳柔顺机构多响应设计稳健性的难题,最终得到满足多响应柔度约束条件下的优化设计方案。实例表明该方法可以为满足微纳柔顺机构高、精、尖的可靠性与精度优化设计的严苛要求提供一种新的解决途径。     

基于均值1阶Esscher近似的可靠性稳健设计

将均值1阶Esscher近似可靠性分析方法、灵敏度分析技术及稳健设计方法相结合,提出了一种新的可靠性稳健设计方法,即基于均值1阶Esscher近似可靠性的稳健优化设计。可靠性稳健设计方法将质量和灵敏度作为目标,可靠度作为约束,最终归结为一个多目标优化问题。均值1阶Esscher近似可靠性方法适用于基本随机变量是正态或非正态、连续或独立的失效概率的计算,但要求这些随机变量相互独立,有矩母函数,并且极限状态函数具有显示表达式。因此,提出的可靠性稳健设计方法对于含非正态变量的稳健优化设计问题具有较高的计算精度。     

望目特性稳健参数设计优化标准的构建

稳健设计是通过降低输入变量的变异效应来提高产品质量的一种成本有效方法,方均误差(Mean square error,MSE)作为望目特性的稳健设计优化标准对不可控因素造成的过程变异和产品质量波动未加以分析.基于此,通过分析MSE标准的合理性及不足并考虑过程方差的重要性,利用响应模型方法给出过程方差的稳健域,构建以MSE为目标函数,以过程方差、均值偏倚为约束的稳健参数设计优化模型.实例比较分析表明,所构建模型的过程能力接近六西格玛水平,而且过程方差在其约束内;最小化MSE虽然得到的过程能力较高,但是过程方差超出过程方差约束,所得到的解不能保证是稳健解,在实际应用中会产生无法预料的变异行为.过程方差约束能够有效地解决偏倚和方差之间的冲突,建立稳健的优化策略.     

考虑载荷随机性的可行域调整的结构拓扑优化设计

考虑载荷大小和方向的不确定性,以结构柔顺度的期望和方差的加权和为目标函数,结构体积为约束函数,研究稳健结构拓扑优化方法。首先给出载荷大小和方向不确定情况下结构柔顺度期望和方差及其导数的显式近似式,而后改进可行域调整方案,提出具有收敛特征的稳健结构拓扑优化设计方法,探讨结构柔顺度期望和方差的权重因子以及随机量的方差对拓扑构型的影响。给出的算例表明,不论是确定载荷拓扑优化还是随机载荷拓扑优化,方法是可行和有效的,且可获得一系列清晰的拓扑构型和稳健的优化拓扑。     

考虑多约束和载荷随机性的稳健结构拓扑优化设计

考虑载荷大小和方向的不确定性,以结构柔顺度的期望和方差的加权和为目标函数,结构体积及多个结构位移为约束函数,研究可获得清晰优化拓扑的稳健结构多约束拓扑优化方法。给出了载荷大小和方向不确定情况下结构柔顺度期望和方差及其导数的显式近似式。结合可行域调整方案,提出具有收敛特征的结构体积和多位移约束的稳健结构柔顺度拓扑优化设计方法。研究了结构柔顺度期望和方差的权重因子对拓扑构型的影响,探讨了位移约束对结构稳健性的影响规律。算例表明,方法是可行和有效的,且可获得一系列清晰的拓扑构型和稳健的优化拓扑。     

可伸缩产品平台优化设计的质量功能展开方法

为使基于产品平台的系列产品更好的满足顾客需求,提出一种基于质量功能展开的方法,可以优化设计可伸缩产品平台.该方法的主要思路是应用质量功能展开技术,建立单个产品的质量屋,确定其最优工程特性值,对每个工程特性进行敏感性分析,并根据所得的工程特性敏感性指标建立优化模型,求得最优的平台工程特性值和非平台工程特性值.优化模型的目标是最大化一个产品族中所有产品变体的顾客满意度的均值,约束主要包括顾客需求和工程特性之间的函数关系以及工程特性之间的自相关函数关系.模型中采用了线性函数形式,并采用回归方法来估计函数中的参数.给出一个工业卡钳的例子来验证所提方法的可行性,案例分析的结果表明,该方法比传统的两阶段方法能获得更好的顾客满意度.     

考虑质量损失模型的多响应柔顺机构容差设计

针对多响应柔顺机构设计中既要保证机构性能的精度又要降低其制造成本的问题,以3自由度的柔顺并联细胞注射微动平台为研究对象,提出一种考虑质量损失模型的多响应容差设计方法来对具有复杂多响应问题的柔顺机构进行容差设计。该方法通过建立复杂产品的质量损失模型来表征复杂多响应柔顺机构的质量损失并引入田口方法的思想对其进行容差设计,利用熵权理论确定柔顺机构各方向柔度的重要程度和方差分析方法确定各设计变量波动对柔顺机构各方向柔度稳健性的重要程度,在已确定各设计参数最佳组合的前提下,通过综合考虑复杂多响应柔顺机构的质量水平和制造成本来确定各个设计参数的容差,从而完成对具有复杂质量结构的多响应柔顺机构的容差设计,为多响应柔顺机构的容差设计提供一种新的设计思路。     

考虑因子容差的多响应稳健优化设计

针对现有多响应优化方法很少同时优化结果的最优性和稳定性,以及忽视可控因子容差扰动的影响导致不能获得真实稳健解的问题,提出一种考虑因子容差的稳健优化设计模型。该模型将多变量质量损失函数与双响应曲面法相结合并通过熵权理论科学设置各响应均值和标准差的权重,将多响应问题转化为求解综合质量损失最小值的问题,并考虑可控因子容差扰动对最优点可行稳健性的影响,同时考虑了优化结果的最优性与稳定性,且解决了由可控因子容差扰动的影响而不能获得真正稳健解的问题。为了验证所提方法的有效性,以双曲柔性铰链为优化对象进行分析,结果表明所提方法能有效提高响应对可控因子变化的稳健性及最优点的可行稳健性。     

基于支持向量机和粒子群算法的稳健优化

针对实际工程中不确定性因素与产品质量特性之间不具有显式函数关系的稳健优化问题时,代理模型的精度成为关键。本文提出一种基于支持向量机代理模型和粒子群算法的稳健优化方法,采用拉丁超立方试验设计采样布点,优化问题的目标性能函数、约束函数的均值和标准差由具有自动参数优化的支持向量机模型替代,采用粒子群优化算法对稳健优化模型进行求解。以典型的两杆结构优化为例,结果表明支持向量机代理模型的综合性能比常用的响应面、BP神经网络和Kriging模型更优越,稳健优化结果比较理想,为复杂产品的不确定性设计优化提供了一种新的思路。     

基于能量守恒的机械零件可靠性模糊多目标优化方法研究

多目标优化中各子目标函数权值分配应采用动态变化的赋值方法，并且应将基于有效解的常规多目标优化模型拓展为基于软计算满意解的模糊多目标优化模型。从能量守恒与转化以及系统论方法的角度，对多目标优化进行了阐述。利用模糊集理论中隶属函数的特性，将各子目标函数模糊化处理为满意度函数，建立了广义均匀定常满意度函数场下的模糊多目标优化的能量关系模型，提出了由协调校正权函数、广义有势力函数构成的多目标满意解总评价函数的方法。给出机械零件可靠性多目标满意解优化实例，进行可行性验证。     

基于双层更新Kriging模型的机械结构动态特性稳健优化设计

针对现有机械结构优化设计未考虑材料特性参数的不确定性和结构动态特性对综合性能的影响、优化求解效率低下等不足,提出基于双层更新Kriging模型的机械结构动态特性稳健优化设计方法。将机械结构动态特性指标的均值和方差作为优化目标,将机械结构变形量作为约束条件,建立机械结构动态特性稳健优化的数学模型。利用拉丁超立方试验设计、误差最大区域和近似最优解邻域的局部样本点加密技术和双层更新策略,建立能准确高效地获取稳健优化目标和约束函数值的Kriging模型。在此基础上,基于邻域培植遗传算法和双层更新的Kriging模型求出机械结构动态特性稳健优化问题的所有Pareto最优解。某型号大型汽轮发电机定子端部绕组锥环固定结构动态特性稳健优化设计实例验证了方法的有效性和相对于确定性优化设计方法的优越性。     

考虑不确定性的柔顺机构柔度6σ稳健优化设计

针对柔顺机构传统确定性优化设计未充分考虑设计变量的随机波动而导致其功能稳定性较差的难题,提出了结合试验设计、响应曲面法、DFSS(Design for Six Sigma)理念的稳健优化设计新方法。首先在分析柔顺机构稳健特点与随机波动现象的基础上,依据工况对设计变量进行科学选择,采用中心组合试验设计方法选取试验组合;然后通过构建的有限元模型进行数值模拟,得到试验设计各组合的响应值,从而建立柔度响应面模型来进行稳健优化;最后以柔顺板为对象进行了6σ稳健优化设计实例分析。通过与传统确定性优化设计进行对比,表明该新方法不仅增强了柔顺板柔度稳健性而且提高了优化求解效率,为增强柔顺机构在高尖端领域的抗干扰能力提供了一种新的设计思路。     

基于响应曲面法与满意度函数的柔顺机构多响应稳健参数设计

针对微指针放大柔顺机构在进行作业测量时,其柔性铰链部件在受到外界变载荷作用下柔度存在不稳定的实际情况,引入基于响应曲面法与满意度函数的多响应稳健参数优化设计。首先构建微指针放大柔顺机构的柔性铰链稳健参数设计模型,运用Minitab的中心复合有界设计模块对模型进行试验设计,获取试验数据;进而利用响应曲面法对试验数据进行分析,得到各显著性因子项,并对各响应值进行模型拟合;其次对拟合响应曲面模型的精度进行检验;最后采用满意度函数法,将多响应问题转变为求复合满意度函数加权几何平均值最大化的单响应问题,进而得到多响应稳健参数设计的最优方案。案例表明,该方法能够实现提高柔性铰链稳健性与精确性的目标,为柔性铰链的稳健参数设计提供了新的解决方案。     

基于固有振型的非确定性振动结构稳健拓扑优化

考虑结构材料弹性模量和质量密度的随机性,构建以期望固有振型为目标的振动结构稳健拓扑优化模型,其中引入加权系数构建包括原目标函数均值及其标准差的新目标函数,引入原约束函数的标准差及满足约束的概率指标作为稳健性约束条件.利用Monte Carlo模拟法求目标函数和约束函数的均值和方差.在计算目标函数和约束函数对设计变量灵敏度的基础上,采用序列线性规划方法进行优化求解.两个数值算例及其结果验证所建模型的合理性和方法的有效性.