探討QC在設計過程中的重要性

郭一諺

關鍵詞：近場動力學，裂紋擴展，QC程序文件，成本，有效資源

0 引言

標準化的過程伴隨著現代工業發展的進程，以達到保障生產過程的可靠性和使產品符合生產目標，最終目的是尋求質量有效管理。無論過程檢驗、階段結果和最終結果的檢驗，還是過程的控制，在整個產品成型過程中，占據了質量控制的大部分的時間和資金。雖然依據需求設計過程通常僅占5%～25%的成本（包括時間、資產，運行的總成本），卻對最終質量形成重大的影響。然而，糾正設計偏離目標的實際投入會遠遠超出期望值，其糾正的結果往往不盡如人意，甚至毫無效果。QC貫穿著產品從無到有的整個存在過程，對質量影響非常重要，在整個的設計開發過程的控制中實為重中之重，因此在緊固件的實際設計過程中，需要遵循產品設計流程的控制過程及據此慎重考慮、選擇關鍵因素。

1 緊固件的設計分析

標準化設計，可以控制過程的風險、制造成本和經濟預算。設計流程形成標準化規范能夠縮短設計周期，提高可靠性。緊固件的設計方案就依據了已有的程序文檔，如圖1（a）所示，其主要考慮5個要素：a.功能構成；b.構成要素的聯接；c.綜合評定指標；d.設計思想及需求類型；e.評價、試用結果。

在近場動力學理論中，緊固件可以被看作由無限個質點組成，每個質點具有自身的質點密度、質點體積，當緊固件使用時，單質點長時間承受循環重復的載荷，逐漸產生位移變化如圖1（b）所示。

受循環應力作用，質點x 的位置由X （t 0）沿曲線X （t ）在t =t 7時移動到X （t 7）位置；應力反向作用（或無載荷）時，質點x的位置由X?（t 7）〔此刻的X?（t 7）= X （t 7）〕沿曲線X ‘（t ）回到t 0時刻的位置X ?（t 0）〔此刻的X ?（t 0）=X （t 0 ）〕。若在循環往復的過程中，質點x的位置X （day）偏離原始點X （t 0），形成位移X （dayi），且在子域內與其相互作用的其他質點偏移位置之間的距離發生變化，所做的功Wij如下[1-4]：

2 需求與改進

2.1 需求分析（現有資源的延長使用）

附加的防護裝備的掛裝不但需要便于拆卸替換，還要承受車輛行駛過程的循環性的動載荷和無論車輛靜止還是運動狀態時的環境變化形成的靜載荷；同時還要保證掛裝件不松動、不形成空隙，也不會因掛裝件長期承受過載壓力在內部形成裂隙；并且盡可能延遲裂隙隨時間擴散而延長掛裝件使用年限；又要考慮不同重量的掛裝件需承受的重量。總的來說，緊固件應保障掛裝件貼服車體，在車輛受到高速沖擊（速度≥700 m/s）時，掛裝件承受射流和沖擊物的高速沖撞防護基體的損傷，緩沖沖擊力和阻斷沖擊。

另外，車輛行駛產生的振動的瞬時值不能預先確定，形成的連續頻譜是隨機振動，其振動規律無法預知：頻譜峰值描述的是瞬時振動量大小，不能體現幅值——時間的變化規律。若用概率統計方法描述，則振動頻譜概率服從正態分布規律：當振動瞬時幅值為x幅值的平均值x max=0，則其幅值概率密度作為自相關函數表示了函數f （t ）對于與自己相同的函數f （t +Δt ）相似程度的函數，同時也表示了t 時刻數據與t+Δt 時刻數據之間的依賴關系[3-6]。因長時間的振動，螺栓會產生蠕變，由于螺栓的總變形值為常量，當蠕變變形逐漸增大時，彈性變形逐漸減小，于是螺栓應力隨時間而降低，以至于聯接壓力完全消失，產生松動[6-8]。

為了提高緊固件的價值——延遲松動時間，延長使用的壽命。考慮緊固件承受的載荷分為：

（1）載荷值由零緩慢地增長到最大值，并在以后近似保持不變值的靜載荷。

（2）動載荷：

1）作用一次或作用次數較少的實際沖擊載荷；

2）循環反復作用的循環載荷。

而虛功原理指出應力（或應變值）沖≥應力（或應變值）靜，因此嚴格的靜載荷狀況是非常稀少的，緊固件承受的載荷大多是動載荷；對于n 個質點組成的質點系，作用在第i 個質點的主要動力矢量與此質點的虛位移的乘積的代數和等于零（i =1，2，……），但是在一定約束條件下，例如在領域H x內圍繞質點x以δ為半徑的子域內的所有質點可以做無限小的位移，因而可以由公式（1）得到在質點x的子域內的總勢能W：

式中：ρ指密度； 指位移；b 是體積力密度矢量；Vx ?是質點x?的體積；x 是t 時刻質點x 的位置；t 指時間；x ?是質點x 相鄰的質點，x?∈H x（域），且滿足∣x ?-x∣≤δ（δ是質點x 近場范圍半徑）；f（x，t）是力密度函數f（x，t）在領域H x內，質點x?作用在質點x上的力密度，其值取決于x 和x?之間的初始位置和t時刻的相對位移。

基于緊固件的應用環境，承載的載荷形式（當材料參數不變時），我們利用PD微觀分析的優勢，通過解析PD運動方程，求解受載荷影響質點位移的總勢能變化，當位移偏移量超出預期值或質點x i ?（x i ?∈H x領域）與質點x 相互作用的力矢量斷開（i =1，2，……），計算可終止。

經過解析PD運動方程，從而得到服從正態分布的曲線圖如圖2所示。圖2中的循環載荷規律曲線以t 2時間軸為界形成兩個縱坐標恒為非負值的循環波，兩個波峰值是y軸的Top點，分別以t 1和t 4時間軸為中心對稱軸（與y 軸平行），對應于正態分布M 。曲線兩端向左、右延伸逐漸趨近于零，每個循環波曲線在對稱軸兩邊各有一個拐點，分別為正態分布的M -σ和M+σ。

對應承受載荷的緊固件因載荷的振動而產生位移幅度的波動，也形成了兩個服從正態分布循環波，分別也以t 1和t 4時間軸為中心對稱軸，對應于正態分布M，曲線兩端也向左、右延伸趨近于零。峰值U 0相對載荷波峰峰值Top延遲，并且在0～t 0段位移做虛功（隨載荷波動的位移最后回歸零位），沿著時間軸向右，位移逐漸不再歸零，形成微小的偏移量Δu（見圖2中的Δu偏移量線）。通過此PD運動方程解析曲線，可預測不同材料參數的緊固件的使用周期。在此基礎上，整體的設計還需要考慮功能和成本，以選擇更實用的方法。

2.2 改進（保證資源的有序利用-替代性）

根據公式Vf =C 0/Ca，其中：Vf 表示功能價值；C0是功能評價值（功能最低成本）；Ca表達為功能實現成本（功能目前成本）。產品的不同功能實現程度的實現成本趨勢見圖3（a）成本實現的平衡。

由圖3（a）可見實現功能與成本的平衡為：（1）當Vf >1時，C0 >Ca即現實成本低于該功能的評價值；（2）當Vf <1時，C 0

理論上，圖3（b）中點S 0落在理想比例曲線上，是理想設計方案；S 1、S 2代表了兩種實際設計方案，其中S 1的符合率是0.6%，點S 2相對點S 1位置更接近理想設計曲線，符合率不到0.6%，但設計方案的成本比S 1低，從圖3中可以看出點S 2的設計方案是更經濟、更實用的方法。

實際在產品實現利潤的過程中，降低產品成本的常用方法是提高價值和改進生產技術，價值是產品設計的功能性價比，生產技術可以在制造過程或使用過程中提出問題實現改進。在車輛外掛裝件的成熟安裝結構中，為防止緊固件松動有使用雙螺母緊固、彈簧墊片及特定緊固件（如：雙螺紋鎖緊件、附加銷插件）等其他方法，以延遲位移偏差的形成時間或減小位移偏移量。輕量化的前提下，附加的輕型防護裝備主要材料使用陶瓷，其掛裝使用的緊固件多為螺栓，不能使用雙螺母緊固。機械設計實現過程中必須要考慮的技術安全性和經濟利益的評價比，也要考慮使用要求和生產的成本。彈簧墊片是通用的標準件，與其他方法對比，可保障技術安全性和經濟價值的最優比值（如上圖中的S 2比S 1所示）。

設計程序文件的過程如圖1（a）所示，遵循著PDCA（P策略，D設計實施，C檢查測量，A改進）。依據PDCA模式，通過對使用過程的監控得知：當螺帽、彈簧墊片和掛裝件表面接觸，承受循環往復波動的載荷，相互接觸的表面擠壓、磨損直至產生疲勞的機械、化學綜合過程的結果。螺栓的旋轉方向、螺絲形變及掛裝件松動成對應關系，因此扭矩的大小和軸向預緊力相互關聯。為改變扭矩和預緊力又要考慮到彈簧墊片處于螺帽與防護裝備面之間，承受載荷時承受壓力的面積小，易形成點承受。受力點的面積微小在循環載荷和沖擊載荷作用下，容易在受力點的周邊陶瓷產生裂隙（內部、外部）。在使用一定時間后考慮改進的方向為使用橡膠片替換彈簧墊片。

橡膠制品作為常用的隔振器，天然橡膠的阻尼系數為0.1～0.3，硬橡膠的阻尼系數為1.0，載荷較大時做成承壓式，載荷較小時做成承剪式，即可去除預緊力，又可自由做成各種形狀。作為墊片，把相對變形量控制在10%～20%，改變了彈簧墊片處于螺帽與防護裝備面之間的點接觸形成面接觸，緩沖承受的沖擊力。

總之，從緊固件需求分析到實際使用后的改進過程中，程序文件設置了每個階段的控制節點，依據程序文件設計不會偏離需求而一味追求功能的強大或僅僅強調經濟效益；依據程序文件，通過劃分設計的類型，優化了原理、結構、制造的設計過程，減少煩瑣過程；在有限的成本下，明確需求目標，保持最合理的功能設計。

3 結論

在整車的結構中，緊固件構件的設計依據了設計程序文件，QC貫穿著整個設計、改進的過程。因而：

（1）設計人員驗證設計構想和產品設計過程中都涉及大量的數據。根據需求設計緊固件和依據使用中觀測到的數據和理論分析的生命周期相關數據而改進決策的過程中，可以保證數據的完整性、一致性和決策的可行性。

本文中應用的近場動力學理論的數字仿真是建立在數學模型基礎上的，根據系統結構、材料、工藝和環境預測性能和行為，是新構想或新設計的有效工具。

（2）設計費用通常只占總成本的5%～25%，，但是設計階段就已經確定新產品的功能和成本的60%～80%）。設計導致的產品缺陷使試制、生產過程中控制措施無法挽回，其糾正費用巨大。程序文件控制著設計產品的每個階段節點，可保證滿足需求和降低成本，也能縮短設計周期，提高可靠性。

（3）程序文件對設計、改進過程總體的控制分為：

1）階段評價。此過程評價三個方面：評價技術上的可行性和先進性；評價方案的成本效益；評價實施后的影響，控制階段性和總體的質量。

2）綜合評價。通過分析、推導、計算過程，給出定性或定量的評價為設計和持續改進提供決策的依據。