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doe技术在汽车行业中的应用 近年来，中国长距离汽车的快速发展需要改善自主开发能力。但是,随着科学技术的不断进步和人们生活观念的改变,给汽车行业的发展带来了前所未有的机遇和挑战。而生活观念的改变,人们对汽车的舒适性、安全性、环保性和经济性的要求越来越高。同时,由于人类可利用能源和原材料的紧张,以及企业对汽车成本的控制越来越重视,汽车的轻量化也越来越受到重视。 DOE分析及优化技术由于具有设计灵活、计算简便、试验次数少、可靠性高、适用面广等特点,因而发展迅速,已成为现代设计方法中的一个重要分支。DOE分析方法作为一种有效的数理统计和实验因素分析方法,在工程技术研究各领域的应用非常广泛,特别是在一些科技前沿领域。 最近几年DOE分析方法在汽车中的应用也日趋频繁,在被动安全领域,K.Yamazaki成功地将DOE方法用到汽车吸能部件的优化设计中,分析了圆形、方形等不同截面参数的结构设计在汽车碰撞吸能过程中的作用。 在汽车动力学分析上,把影响汽车动力性的各种因素参数化,利用DOE分析方法优化各个参数找到合理的设计组合。例如在汽车的平顺性研究中,建立虚拟样车在三维空间道路上进行平顺性仿真试验,把前后悬架弹簧的刚度以及相关主要衬套等性能参数化,通过正交试验方法研究各个参数对汽车平顺性的影响,并根据正交试验的结果优选出相应的设计参数。 在悬架参数的优化中,以整车为研究对象建立参数化模型,参数化建模包括驾驶室悬置系统和主悬架系统的刚度阻尼、弹簧和减振器的安装位置及整车其他各部件的质量和转动惯量等参数,采用正交试验的分析方法最终找出最优的悬架参数。 DOE分析方法还在汽车制动性能、发动机性能的研究上有广泛的应用。在车身板厚的参数优化方面,目前DOE分析方法的应用还没有相关的文献。 1 分散分析的步骤 试验设计包括3个步骤:试验方案设计、试验结果的计算分析和优化结果的验证。 1 选取试验水平的原则 针对要解决的问题确定出相应的试验因素和试验目标。试验因素确定以后,要选出合适的试验水平。选择试验因素的多少取决于研究对象本身的试验目的和具体要求。 2 2处理测试结果 通常试验结果的处理有直观分析法、方差分析法和回归分析法。 影响因素的变异 直观分析法又称极差法,极差是指因素在不同水平下指标的最大值与最小值之间的差值。极差值的大小反映了试验中各个因子影响的大小,极差大表明该因素对试验结果的影响大,是相对主要因素;反之,极差小则表明该因素对试验结果的影响小,是相对次要因素或不重要因素。直观分析法首先要计算出各个因素对试验指标值的影响程度,确定哪些因素是主要因素,哪些因素是次要因素,从而找出主要因素的最好水平。 计算显著性法判定临界值 方差分析法的本质是总的变差平方和分解为各个因素的变差平方和与误差的变差平方和,然后求出它们所对应的自由度,求出平均方差,计算出统计量F,再根据显著性水平查处临界值Fa进行判定。 审查优化结果 试验结果的验证是通过DOE分析方法优化后的车身结构性能参数与修改前的性能参数比较来验证试验分析结果的正确性。 2 影响第一阶模态频率和刚度的因素 轻卡车身的结构主要包括驾驶室地板、前围、顶盖、后围和加强筋结构。整个车身由大面积的覆盖件焊接而成,不同区域的板厚会对模态频率和刚度有很大的影响。所以引入DOE分析方法把地板、前围、顶盖和后围的板厚作为优化的变量参数,以提高车身的第一阶模态频率和减轻重量为目标。通过调整它们的板厚来对轻卡车身结构进行优化,提高车身的模态频率,并同时实现车身的轻量化。 2.1 影响板厚优化设计结果 基于工程实际需要,选取的水平必须在设计中是现实可行的。在板厚因素水平选择中,最佳水平应该与实际生产中的常用板厚相一致,反之得到的试验结果就没有实际应用价值。在本次DOE分析过程中,共选择了4个因素,每个因素取3个水平,因素水平如表1所示。 设计一个4因素、3水平的标准正交矩阵L27,删掉未排的列。由正交表得到27个试验,根据这27个不同水平组合下的板厚参数,利用有限元方法进行分析计算,得到每个试验的第一阶模态频率和车身质量。计算结果如表2所示,其中Freq为车身的第一阶模态频率,单位Hz。Mass为车身的质量,单位kg。 2.2 实验数据分析 1 因素的误差计算 建立试验数据的数学模型,设变量ai,bi,ci,di分别表示4个因素对车身模态频率的效应,εi(i=1,…,27)是一组相互独立的并服从N(0,σ2)的随机变量,得到试验数据的数学模型为 Y1=μ+a1+b1+c1+d1+ε1Y2=μ+a2+b2+c2+d2+ε2??Y27=μ+a27+b27+c27+d27+ε27}(1)Y1=μ+a1+b1+c1+d1+ε1Y2=μ+a2+b2+c2+d2+ε2??Y27=μ+a27+b27+c27+d27+ε27????