基于“質量-成本”均衡的車身公差設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和復雜制造系統(tǒng)特征的典型產品。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，雖然保證了質量，但將使產品制造成本增加，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，但會影響最終產品質量，導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計方案，是均衡解決產品質量要求和生產成本限制之間矛盾的重要手段。傳統(tǒng)車身公差設計主要采用的方法包括試湊與校核調整法、以質量為約束的成本最優(yōu)

2、法以及質量、成本的加權評價法等。這些方法難以合理、有效地考量不同性能指標之間的相互影響和沖突，從而在質量、成本多目標優(yōu)化建模與均衡優(yōu)化方面存在一定的局限性。
　　為了解決車身產品公差設計中質量與成本綜合優(yōu)化和均衡協(xié)調難題，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計博弈建模及求解方法。首先，針對車身產品公差設計需求，提出車身公差設計問題及其相應模型的表達形式;其次，將車身公差設計工程問題轉化為博弈數(shù)學模型;在此基礎上

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

4、造偏差模型和表達裝配產品成本水平的制造成本模型;針對第二類問題，結合評價車身產品關鍵區(qū)域質量、成本的主要指標，提出零件和裝配產品的質量水平和成本水平的表達方法。
　　(2)車身公差設計博弈模型構建
　　對于面向制造工藝信息的車身公差設計問題，首先將裝配產品的質量、成本需求視為對策環(huán)境中的博弈方，其次針對設計變量與各博弈方之間的映射關系，基于模糊聚類方法將設計變量進行分組，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)。通過上述三要素構造完整的博弈模型及相應的博弈效用矩陣;對于面向歷史數(shù)據(jù)信息的車身公差設計問題，首先根據(jù)評價車身關鍵區(qū)域質量、成本的主要指標，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)車身公差設計博弈模型求解方法研究
　　針對車身公差設計的“質量-成本”均衡需求

6、，提出基于Nash均衡理論的車身公差設計非合作博弈求解方法，用以求解面向個體效用最優(yōu)下的公差設計方案;提出基于Shapley值理論的車身公差設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)多目標優(yōu)化方法的數(shù)學本質，研究了各種優(yōu)化解之間的差異性和關聯(lián)性，發(fā)現(xiàn)在處理車身公差設計多目標優(yōu)化問題時，合作博弈方法能夠根據(jù)質量和成本博弈方對“質量、成本綜合性能最優(yōu)”的貢獻度評估，給出一

7、種合理協(xié)調兩者相互影響和沖突的設計方案，優(yōu)化解不依賴于經(jīng)驗權值，并且穩(wěn)定性較好。
　　(4)基于博弈理論的車身公差設計案例應用
　　在前面研究的基礎上，開發(fā)基于“質量-成本”均衡的車身公差設計軟件分析模塊，并在前機艙水箱架總成和前部大燈區(qū)域的公差設計中應用。首先根據(jù)水箱架與大燈區(qū)域的質量、成本函數(shù)或數(shù)據(jù)信息，構建博弈方、策略和效用，形成博弈數(shù)學模型，進而通過合作博弈方法計算均衡點，并與傳統(tǒng)多目標優(yōu)化解進行對比分析。優(yōu)化結果表