面向制造的汽车零部件设计方案评价

1 引言

随着汽车行业的快速发展，汽车零部件设计方案的要求越来越高，需求量也越来越大。目前，对设计方案的评价主要有两种形式，一种是针对一个具体的设计方案，引入面向制造的设计（DFM）思想实现产品的并行开发；一种是面向多种既定的设计方案，对其进行综合评价，选择其中最优的设计方案用于生产制造。就汽车零部件等机械类产品来说，后一种评价形式更为实用。在以往的汽车零部件设计过程中，设计者往往注重的是结构上及功能上的要求，未能对制造方面的因素进行充分的考虑，把在这种情况下设计出来的设计方案用于生产制造时就会出现一些问题。因此，在对结构和功能已做考虑的前提下设计出的汽车零部件设计方案，对其进行评价时重点进行可制造性的评价更加能比较设计方案的优劣。针对多种既定的设计方案，充分考虑汽车零部件的可制造性，建立评价的指标体系，为使评价指标权重的确定更加科学，引入熵权法和层次分析法相结合的动态权重赋权方法，采用模糊综合评价模型，形成一种满足可制造性的汽车零部件设计方案评价方法。

2 评价体系的确定

汽车零部件设计方案能否用于实际生产，判断其可制造性是十分关键的一步。因此，设计了“产品质量”、“制造成本”、“生产效率”、“人机工程”4个体现汽车零部件设计方案可制造性的一级评价指标。各个一级指标下又涵盖数个二级指标，综合考虑制造过程中的实际情况，选取材料性质、材料利用率、废品率等12个因素作为二级评价指标，建立了面向制造的汽车零部件设计方案的评价体系，如图1所示。

3 权重的确定

面向制造的汽车零部件设计方案评价是多目标综合评价，在多目标综合评价中确定权重是一个重要环节，权重的合理与否直接关系到评价结果是否科学、合理。考虑到评价指标体系的特点和统计数据情况，采用一种结合熵权法与层次分析法确定的评价指标动态权重，其中，客观权重采用的是熵权法，主观权重采用的是层次分析法，进而对部分指标进行加权。同时，对于客观信息难以获取的

[5-6]

另一部分指标采用层次分析法对其进行主观加权。这里主要讨论动态权重的确定方法。

3.1 客观权重

评价指标的客观权重采用熵权法确定。根据熵权法的原理：如果待测指标的熵值越小，则其变异程度越大，提供的信息越多，在综合评价中的作用越大，权重越大，反之，权重越小。可由待评价指标的变异程度，计算出较为客观的指标权重。熵权法计算权重，对m个待评价对象，n个评价指标可以表示为：

[7]

—第X（X=1，2，…，m）个对象第i（i=1，2，…，n）个指标

的量值。

评价指标的熵权C和客观权λ重为：

i

式中：

式中，且满足λ=1。

i

3.2 主观权重

评价指标的主观权重运用层次分析法来确定，由于层次分析法是常用的基本方法，其计算过程不再详细赘述。建立判断矩阵 A=（A），由层次分析法计

ij

m×n

算得出的 λ求解特征方程：

max

解得 λ的特征向量 X=（x，x，…，x），经归一化即可得各指标的主观

max

1

2

n

权重向量：

3.3 动态权重

根据待评价指标的客观权重λ和主观权重θ，将两者结合进行综合赋权得动

i

i

态权重：

4 基于汽车零部件设计方案的模糊综合评价法

在对汽车零部件设计方案的评价中，存在着如人员素质、设备质量、安全保障等评价因素，其边界模糊不清，无法进行量化处理，但是运用模糊综合评价法，通过借助模糊数学的一些概念，可以将这些边界不清、不易量化的因素定量化，从而从多个因素对被评价方案进行综合性评价。应用模糊综合评价法对汽车零部件设计方案进行评价，具体步骤如下。

4.1 建立待评价汽车零部件设计方案的因素集

式中：x（i=1，2，…，N）—汽车零部件设计方案的评价指标。

i

4.2 建立汽车零部件设计方案的评语集

式中：u（j=1，2，…，m）—待评价汽车零部件各种可能的评价结果。

j

4.3 建立汽车零部件设计方案评价指标权重集

由于各个指标的地位未必相等，所以需要对各评价指标加权，且各权重满足非负性和归一性。

式中：w（i=1，2，…，n）—各评价指标的权重，∑w=1。

i

n

i=1

i

4.4 构造汽车零部件设计方案的模糊评价矩阵

根据模糊综合评价方法，对因素集X中的各个因素作单因素评价，评价组合后得到所有因素在U上的模糊集R。

4.5 面向制造的汽车零部件设计方案模糊评价

通过R对W作模糊线性变换，将其变为U上的模糊子集：B=｛b，b，…，

1

2

b｝。B 即为 U上的模糊综合评价集。

n

此为第1层各评价指标的单因素评价结果，如果给评价指标赋予权重W′，可进行第2层的评价G=W′·R′。

同理可进行更多层次评价，由面向制造的汽车零部件设计方案评价体系的具体情况得到评价结果。

[3]

若对评价集 U=｛u，u，…，u｝进行赋值，则可得到模糊评价得分：

1

2

n

式中：B—最后一层评价指标的模糊评价。

5 算例

作为一种由薄金属板制成的异形体表面及内部零件，汽车覆盖件在发动机、底盘、驾驶室及车身上都有广泛的应用，是汽车上重要的零部件。故以汽车覆盖件的设计方案为例，对其进行面向制造的评价，选择最优的方案进行生产。

某一汽车覆盖件在投入制造前期，初步确定了3套设计方案。方案集为f=｛f，f，f｝，根据1确立的指标结构，得出对应的评价指标集 X=｛x，x，…，

1

2

3

1

2

x｝，利用式（6）～式（11）提出的评价方法及上文提出的权重确定方法选择

n

最佳方案。

5.1 二级指标的权重

由文献，制造成本下3个二级指标：生产线设置成本、材料成本、人工成

[8-9]

本。生产线设置成本是以所有方案中的最高值取值为100，其他方案按其值的高低得相应的取值，生产线设置成本越低，方案在该项指标下越可取。材料成本是汽车覆盖件采用不同材料时的实际成本，人工成本是工人每小时的工作报酬，两者均是越低越好。制造成本下各个指标的统计数据，如表1所示。

表1 制造成本统计数据

Tab.1 Manufacturing Cost Statistics

产品质量下3个二级指标材料性质、材料利用率、合格率，根据文献，经

[10]

整理得产品质量下各个指标的统计数据表2。其中材料性质考虑的是影响汽车覆盖件制造的主要性质（即成型极限、形状与尺寸精度、表面质量），对主要性质综合考虑通过一定的计算得出各方案材料性质的数值。材料利用率与合格率是生产中材料的实际利用比例及合格比例。

表2 产品质量统计数据 Tab.2 Product Quality Statistics

由式（1）～式（5）结合制造成本下的数据及层次分析法计算制造成本下各个指标的动态权重为：

同制造成本，可计算产品质量下各个指标的动态权重为：

生产效率、人机工程指标下的客观信息难以获取，故采用层次分析法对其进行主观加权，经计算得相应的权重为：

根据图1建立的评价指标体系及各指标权重，如式（12）～式（15）所示。由专家对每项指标进行评分，可得面向制造的汽车覆盖件设计方案的指标体系得分及权重，如表3所示。

表3 面向制造的汽车覆盖件设计方案指标体系得分及权重

Tab.3 Score and Weight of Index System for Manufa-Cturing-Oriented Automobile Panel

Design

5.2 第1层次评价

根据表3面向制造的汽车覆盖件设计方案的指标体系得分及权重，对制造成本、产品质量、生产效率、人机工程下的二级指标进行模糊综合评价，可得对应的第1层次综合评价，分别如式（16）～（19）所示。

5.3 第2层次评价

由第1层次评价的式（16）～式（19）可得面向制造的汽车覆盖件设计方案的第2层次模糊综合评价矩阵：

根据3.1确定的动态权重的确定方法，制造成本、产品质量、生产效率、人机工程第2层次的权重为W′=｛0.5872，0.0721，0.2181，0.1227｝，结合第2层次模糊综合评价矩阵，则得第2层次评价结果：

5.4 评价结果

分析面向制造的汽车覆盖件设计方案模糊综合评价的结果，可得如下结论： （1）3个面向制造的汽车覆盖件设计方案的总体评价顺序为f、f、f，因

2

1

3

此，确定方案的可制造性最强，f次之，f的可制造性最弱。即设计方案最优，为

1

3

采用方案。

（2）在汽车零部件设计方案的评价中，制造成本对设计方案的评价结果影响最大，生产效率、人机工程次之，产品质量影响最小。在进行汽车零部件设计过程中要优先考虑制造成本，同时考虑其他影响因素，以获取具有良好制造性的设计方案。

6 结论

针对汽车零部件设计方案可制造性的问题，构建了制造成本、产品质量、生产效率、人机工程4项一级评价指标，生产线设置成本等12项二级评价指标的评价指标体系，建立了模糊综合评价模型。在权重的确定过程中提出了将熵权法和层次分析法相结合确定动态权重的方法。以3种汽车覆盖件的设计方案为例

进行可制造性评价，获取了最优方案。算例证明，该方法可行且具有较好的应用价值，为决策者提供了一种面向制造的汽车零部件设计方案评价的新方法。