基于“質(zhì)量-成本”均衡的車身公差設(shè)計博弈模型及求解方法研究.pdf

1、轎車車身是具有大批量生產(chǎn)和復(fù)雜制造系統(tǒng)特征的典型產(chǎn)品。零件的尺寸偏差對整車性能及制造成本均具有顯著影響。盲目提高偏差要求，雖然保證了質(zhì)量，但將使產(chǎn)品制造成本增加，造成投資浪費和市場競爭力下降;降低偏差要求，雖然減少了成本，但會影響最終產(chǎn)品質(zhì)量，導(dǎo)致客戶投訴和返修率上升。因此，制訂合理的車身零部件公差設(shè)計方案，是均衡解決產(chǎn)品質(zhì)量要求和生產(chǎn)成本限制之間矛盾的重要手段。傳統(tǒng)車身公差設(shè)計主要采用的方法包括試湊與校核調(diào)整法、以質(zhì)量為約束的成本最優(yōu)

2、法以及質(zhì)量、成本的加權(quán)評價法等。這些方法難以合理、有效地考量不同性能指標(biāo)之間的相互影響和沖突，從而在質(zhì)量、成本多目標(biāo)優(yōu)化建模與均衡優(yōu)化方面存在一定的局限性。
　　為了解決車身產(chǎn)品公差設(shè)計中質(zhì)量與成本綜合優(yōu)化和均衡協(xié)調(diào)難題，彌補傳統(tǒng)方法的不足，本文引入博弈理論，建立一套車身公差設(shè)計博弈建模及求解方法。首先，針對車身產(chǎn)品公差設(shè)計需求，提出車身公差設(shè)計問題及其相應(yīng)模型的表達形式;其次，將車身公差設(shè)計工程問題轉(zhuǎn)化為博弈數(shù)學(xué)模型;在此基礎(chǔ)上

3、，建立基于合作博弈Shapley值理論的公差設(shè)計求解方法，并結(jié)合典型車身設(shè)計案例進行了工程應(yīng)用。本文的主要研究工作如下:
　　(1)基于“質(zhì)量-成本”均衡的車身公差設(shè)計問題分類與表達
　　根據(jù)車身產(chǎn)品公差設(shè)計需求，將車身公差設(shè)計問題分為兩類:面向制造工藝信息的車身公差設(shè)計問題與面向歷史數(shù)據(jù)信息的車身公差設(shè)計問題。針對第一類問題，結(jié)合零件偏差傳遞規(guī)律以及不同公差等級所對應(yīng)的生產(chǎn)消耗及加工條件的變化，提出表達裝配產(chǎn)品質(zhì)量水平的制

4、造偏差模型和表達裝配產(chǎn)品成本水平的制造成本模型;針對第二類問題，結(jié)合評價車身產(chǎn)品關(guān)鍵區(qū)域質(zhì)量、成本的主要指標(biāo)，提出零件和裝配產(chǎn)品的質(zhì)量水平和成本水平的表達方法。
　　(2)車身公差設(shè)計博弈模型構(gòu)建
　　對于面向制造工藝信息的車身公差設(shè)計問題，首先將裝配產(chǎn)品的質(zhì)量、成本需求視為對策環(huán)境中的博弈方，其次針對設(shè)計變量與各博弈方之間的映射關(guān)系，基于模糊聚類方法將設(shè)計變量進行分組，并定義各博弈方的策略空間，最后根據(jù)制造偏差模型與制造成

5、本模型建立各博弈方的效用函數(shù)。通過上述三要素構(gòu)造完整的博弈模型及相應(yīng)的博弈效用矩陣;對于面向歷史數(shù)據(jù)信息的車身公差設(shè)計問題，首先根據(jù)評價車身關(guān)鍵區(qū)域質(zhì)量、成本的主要指標(biāo)，定義博弈決策方、博弈策略及博弈效用，從而建立初始博弈效用矩陣。根據(jù)搜集、整理的歷史數(shù)據(jù)信息，通過多元回歸分析的技術(shù)手段補充效用矩陣中的缺失數(shù)據(jù)，從而形成完備的博弈模型。
　　(3)車身公差設(shè)計博弈模型求解方法研究
　　針對車身公差設(shè)計的“質(zhì)量-成本”均衡需求

6、，提出基于Nash均衡理論的車身公差設(shè)計非合作博弈求解方法，用以求解面向個體效用最優(yōu)下的公差設(shè)計方案;提出基于Shapley值理論的車身公差設(shè)計合作博弈求解方法，用以求解面向集體效用最優(yōu)下的公差設(shè)計方案。通過對比和分析不同決策環(huán)境下的博弈求解方法與傳統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方法的數(shù)學(xué)本質(zhì)，研究了各種優(yōu)化解之間的差異性和關(guān)聯(lián)性，發(fā)現(xiàn)在處理車身公差設(shè)計多目標(biāo)優(yōu)化問題時，合作博弈方法能夠根據(jù)質(zhì)量和成本博弈方對“質(zhì)量、成本綜合性能最優(yōu)”的貢獻度評估，給出一

7、種合理協(xié)調(diào)兩者相互影響和沖突的設(shè)計方案，優(yōu)化解不依賴于經(jīng)驗權(quán)值，并且穩(wěn)定性較好。
　　(4)基于博弈理論的車身公差設(shè)計案例應(yīng)用
　　在前面研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于“質(zhì)量-成本”均衡的車身公差設(shè)計軟件分析模塊，并在前機艙水箱架總成和前部大燈區(qū)域的公差設(shè)計中應(yīng)用。首先根據(jù)水箱架與大燈區(qū)域的質(zhì)量、成本函數(shù)或數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建博弈方、策略和效用，形成博弈數(shù)學(xué)模型，進而通過合作博弈方法計算均衡點，并與傳統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化解進行對比分析。優(yōu)化結(jié)果表