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实验设计与分析大作业（正交设计与均与设计）姓名：冯善坤学号：201410009授课老师：刘建永第1页共7页一、正交设计摘要：以某汽车稳态回转试验为例，采用多体动力学仿真软件ADAMS建立了虚拟样机模型，利用正交试验设计方法设计试验方案并进行了仿真试验，通过对试验数据的处理与分析，得出了最优试验方案和各试验因素的影响程度，即对汽车稳态回转性能影响较大的因素依次为质心前后位置、轮胎的侧偏刚度、质心高度和前螺旋弹簧刚度。前言汽车操纵稳定性试验是一项非常繁琐的试验，虽然采用虚拟样机技术进行仿真试验可简化试验过程，达到缩短产品开发周期降低开发成本的目的，但是由于汽车操纵稳定性试验所包含的试验内容多，影响因素复杂，所以单纯依靠虚拟仿真技术来解决产品开发速度与开发质量之间的矛盾是不可行的，而正交试验设计方法可通过合理规划试验布局实现试验次数的精简及试验因素对试验目标影响程度的分析，最终找出最优试验方案，特别适用于试验项目较多，试验因素数量较庞大的产品性能试验。汽车多体动力学模型简介图1所示的汽车虚拟样机模型是在多体动力学软件ADAMS的ADAMS/Car模块中建立的，在建立模型前需要明确ADAMS/Car中的车辆坐标系。该坐标系以汽车前轮轮心连线与汽车纵向对称面的交点为坐标原点；以过原点的水平面与汽车纵向对称面的交线为X轴，前进方向为负；同一水平面内过原点且与X轴垂直的轴线为Y轴(，驾驶员左侧为负；过原点且垂直于水平面的方向为Z轴，向下为负。此外，还需收集整车尺寸参数、质量特性参数、力学特性参数及外界参数等基本参数。该整车模型的主要特性参数如表1所列。表1整车模型主要参数项目特性参数项目特性参数整车质量1571.28轴距2547前轮转矩1600后轮轮距1594主销后倾角3.3949主销内倾角10.561前轮外倾角-0.3前轮前束0.1ADAMS包括模板、子系统和装配组合3个层级结构，在模板中需要建立汽车各主要零部件及其相互连接关系，然后在模板的基础上建立麦弗逊式前独立悬架、双横臂式后独立悬架、齿轮齿条式转向机构!、、四轮盘式制动系统!动力总成子系统、车身子系统及前后轮胎子系统等，最后将各子系统与试验台相连完成整车模型的装配。利用该虚拟样车可完成包括图1模型第2页共7页汽车操纵稳定性和平顺性在内的一系列汽车性能仿真试验，仿真后得到的输出结果不仅可用于对汽车性能的客观评价，而且可为汽车设计方案的改进与优化提供依据。汽车稳态回转性能正交试验研究确定因素和水平对汽车稳态回转特性影响较大的因素主要有汽车质心前后位置、质心高度、前悬架刚度、前后轮胎的侧偏刚度等。其中，对悬架刚度影响较大的因素是弹簧的刚度，二者之间存在一定的杠杆比关系，所以通过改变弹簧刚度的方式来间接改变悬架刚度，为研究各因素上下波动对汽车稳态回转性能的影响，各因素的水平数均取为3，正交试验条件如表2所列。表2汽车稳态回转特性正交试验条件水平因素A质心位置因素B质心高度因素C前螺旋弹簧钢度因素D后螺旋弹簧钢度1前移100X=1053升高50Z=405增加10%K1=55000前轮增加10%K=660002初始位置X=1153初始位置Z=355初始刚度K1=50000初始侧偏刚度K=600003后移100X=1253降低50Z=305减小10%K1=45000后轮增加10%K=60000安排试验计划由表2可知，所研究的问题包含4个因素，每个因素有3个水平。为了提高试验效率，暂不考虑各因素之间的交互作用，所以应选用正交表L9(34)具体试验计划布局如表3所列。表头设计ABCD不足转向UU计分值y试验号列号1234111110.253792.8385212220.308396.4472313330.319997.4472421230.336797.8767522310.301996.0833623120.355798.6663731320.393599.8481832130.381399.5223933210.321397.2297731320.393599.8481832130.381399.5223933210.321397.2297试验数据处理由于汽车从仿真开始到出现不稳定状态的整个过程中，其前、后轴侧偏角差值与侧向加速度关系曲线上均未出现斜率为零的点，而且随着侧向加速度的增大，曲线的斜率也越来越大，所以可认为该车中性转向点的侧向加速度值的评价计分值为100分。因此，影响汽车稳第3页共7页态回转性能综合评价计分值的评价指标只有不足转向度评价计分值!本试验以此作为最终的试验指标!试验数据记录在表3的最后一列。最佳试验方案的确定对试验结果的计算与处理过程记录在表中，其中Ki（i=1.2.3）对应的4个数值分别为因素A、B、C、D的第i水平所在的试验中对应的综合评价计分值之和ki（i=1.2.3）对应的4个数值分别为Ki对应的4个数除以3（各因素的每一水平在总试验次数中均出现3次）所得到的结果!即各因素中每一水平所对应的综合评价计分值的平均值。所谓极差是指各因素所在的每一列中ki的最大值减去最小值所得的差值。一般来说，各列的极差是不同的，这说明各因素的水平改变对试验指标的影响是不同的，极差越大说明这个因素的水平改变对试验指标的影响越大，如果某因素所在列的极差最大，则表明该因素的水平改变对试验指标的影响最大!那么该因素就是要考虑的主要因素。表4汽车稳态回转特性正交试验数据水平因素1A2B3C4DK1286.3532290.5633291.0274286.1515K2292.6263292.0531291.0274294.9616K3296.6004292.9635292.9989294.4668k195.451196.854497.009195.3838k297.542197.351097.184598.3205k398.866897.654597.666398.1556极差3.41570.80010.65722.9367最优方案A3B3C3D2第4页共7页经上述分析虽然得出了最优的试验方案，但是最优方案A3D2B3C3并未出现在正交表的9组试验中。通过将最优试验方案与正交表中的各组试验进行对比可知，与最优方案A3D2B3C3较为接近的一组试验为第7组试验。此组试验中，只有质心高度B不是处在最优水平，而质心高度对汽车不足转向度评价计分值的影响较小!，在4个影响因素中处于第3位置。从上述9组试验可知，第7组试验的汽车不足转向度评价计分值为99.8481，是9组试验中得分最高的，，从此角度来讲最优方案A3D2B3C3具有一定的科学性。图2excel数据分析第5页共7页二、均匀设计摘要介绍了均匀设计试验法在内燃机试验中的应用。用均匀设计表安排了小型直喷柴油机供油系统中启喷压力和油嘴伸出量对性能影响的试验，经回归分析得到了最佳的试验结果。用单因素试验法证明了均匀设计方法的正确性，表明均匀设计试验法是安排多水平试验的良好方法，在内燃机中应用是完全可行的。目前在内燃机多因素多水平的试验中，多采用正交试验法。但正交试验法有其局限性，它只适宜用于水平数不大的试验中，若水平数较大，则需安排大量的试验，实际操作起来是很困难的。80年代，我国数学家方开泰和王元根据数论提出了均匀设计试验法，这种试验方法去掉了正交试验“整齐可比”的特点，而保留了“均匀分散”的特点，可大大减少试验次数，易于安排多水平的试验。1试验设备与试验内容试验样机为SD195单缸自然吸气式四冲程水冷直喷柴油机。其缸径为95mm，活塞行程为115mm，在转速为2000r/min时标定功率为8.9kW，所用油泵为AK型单体泵。SD195柴油机采用对进气旋流不敏感的浅W型燃烧室，所需进气涡流强度较低，并且允许的变化范围较大。为了解供油系统对柴油机性能的影响和检验均匀试验设计的可行性，就喷油嘴启喷压力(Pin)和喷油嘴伸出量(S)对性能的交互作用进行了试验研究。在供油提前角为24°CA，柱表塞直径为9.5mm，油嘴孔径为5×0.29mm时，做了启喷压力和喷油嘴伸出量对性能影响的试验。其相应的因素水平见表1。表1启喷压力和油嘴伸出量参数启喷压力x1（Pin）/Mpa14151617181921油嘴伸出量x2（S）/mm1.652.12.553.03.453.94.35选用均匀设计表U7(72)来安排试验[2]，如表2所示，需做7次试验，均匀设计表U7最多有6列，即最多可安排6个因素，当试验因素较少时，可根据均匀设计使用表，选取偏差较少的列号，本文选取的是1、3两列，其偏差量(D值)为0.1582。表2U7(72)均匀设计表x1x213114(1)3.45(3)215(2)2.1(2)316(3)4.35(7)417(4)3.00(4)518(5)1.65(1)619(6)3.90(6)第6页共7页721()72.55(3)D0.1582对试验结果的分析表3为均匀设计的回归数据分析表。表中的各个符号的含义为:B为回归变量的系数，SEB为回归系数的标准误差，U为总体回归系数，T为t检验的结果，SigT为t检验显著性水平。根据回归结果可以看到，启喷压力和启喷压力的平方项及启喷压力和油嘴伸出量交互作用项进入方程，而且，启喷压力和油嘴伸出量交互作用项对柴油机油耗的影响最大，t检验为4.26。回归方程显著性F检验为9.32，大于F0.05的数值，表明回归方程也是显著的。回归方程的回归效果由R2表示，根据回归结果可以看到，R2为0.917，可见相关程度相当高。可采用网格点法，根据回归分析得到的回归方程：211214.70.0940.141279yxxxx表3均匀设计数据分析表因素实验号X1X2X1*X2X12X22油耗率y/g*（kw*h）-11143.4548.319611.9245.82152.131.52254.41244.33164.3569.625618.92246.84173.00512899*246.45181.6529.73242.72242.76193.974.136115.21248.17212.5553.554416.5248.3变量BSEBUTSigTX1-4.72.41-5.64-1.9520.146X1*X20.0940.0220.7964.2640.0237X120.1410.06875.91-2.0470.133常量279.120.73013.50.0009R0.9567R20.917方差来源平方和自由度均方F显著性回归21.8137.279.32*误差2.3430.78总和24.1560.05(3);(3,3)9.28TFF，n-3根据回归结果，使柴油机其他参数不变，分别把启喷压力和喷油嘴伸出量调整到最佳和最差状态，做了2000r/min时的负荷特性，结果如图2所示。由图可见，在小负荷时，两种情况下油耗相差不大，排温也相近，但随着负荷的增加，油耗的差别逐渐拉开。标定点的油耗在最佳配合时为239.5g/(kW·h)，在最差配合时为253g/(kW·h)，实测结果与回归方程(1)的结果是符合的。