[转帖]ANSYS稳健设计
随着技术的进步，产品的可靠性愈来愈高，一架飞机寿命长达10～20年，空中飞行3-5万小时，通讯卫星的寿命长达10-15年。传统的可靠性设计、试验验证技术满足不了日益发展的要求。美国国防产品已经开始淡化传统的可靠性做法，从单纯的试验技术变为包括设计、管理、试验等内容的产品质量工程。<BR><P> 通常，产品的质量受到各种设计、工艺、环境等因素的综合影响，具有一定的分散性。而这些因素可以分为两种：可控因素和不可控因素（噪声因素）。可控因素如飞机构件的几何尺寸、螺栓个数、材料性能、加工精度等，可以通过合理设计提高产品质量的可靠性。不可控因素如加工机器误差、工人熟练度、环境影响、材料老化等，只能通过提高设计安全裕度、缩小容差来提高可靠性，但这会大幅提高制造成本。</P>
<P> 稳健设计（也称为鲁棒设计 、健壮设计、robust设计），是在日本学者田口玄一提出的三次设计法上发展起来的、低成本、高稳定性的产品设计方法。稳健设计包括产品设计和工艺设计两个方面。通过稳健设计，可以使产品的性能对各种噪声因素的不可预测的变化，拥有很强的抗干扰能力。产品性能将更加稳定、质量更加可靠。</P>
<P> 如下图，x为可控的设计因素，z为不可控的噪声因素（分散性无法控制），产品质量y受设计因素和噪声因素综合影响。通过合理调整设计因素x，可以使得y对噪声因素z不再敏感，从而获得较好的产品质量稳健性。</P>
<P align=center><IMG src="http://www.icad.com.cn/pic/2005527155733.jpg"></P>
<P><BR>ANSYS Workbench的稳健设计</P>
<P> ANSYS Workbench最新版本9.0，以三次设计法为基础，利用其独有的多目标优化、6Sigma设计、稳健设计技术，可以从系统设计、参数设计、容差设计等三个层次，完成产品的质量稳健性设计。</P>
<P> 下面以飞机结构设计中常见的连接件设计为例，通过Workbench完成其优化设计及稳健性设计流程：</P>
<P> 1.系统设计</P>
<P> 系统设计阶段，是应用专业技术进行产品的功能设计和结构设计的阶段，是从定性角度考虑各参数对产品质量的综合影响，它是整个产品质量设计的基础。</P>
<P> Workbench可以直接读入飞机构件的CATIA模型及各种设计参数，快速完成模型处理、加载求解等过程，并对连接件部位的等多个设计方案进行精确分析与比较，对系统设计进行快速的可行性评价和校验。 </P>
<P> 根据工程经验和Workbench分析，可知螺栓/螺孔是应力集中部位，对加工精度等噪声因素很敏感。而采用摩擦螺栓的设计，将减少应力集中，从根本上避免了螺栓加工精度对结果的影响，从而提高连接件质量的稳健性。至此，完成"三次设计"的第一阶段--系统设计。</P>
<P><BR> 2．参数设计</P>
<P> 参数设计阶段，是稳健设计中最重要的阶段，力图通过调整可控因素，寻找一组最佳的设计参数组合，减小噪声因素对产品质量性能的干扰，达到提高产品质量的目的。</P>
<P> Workbench提供两种快速优化方法--正交实验设计方法(DOE方法)、变分优化方法，以最快速度获得多个设计参数的最优组合。这一组合，实现了整个结构在减重、强度、疲劳寿命等综合性能指标上的多目标优化。</P>
<P> 而且，如果在Workbench中，输入螺栓预紧力、直径等设计参数，同时以螺栓加工精度、装配公差为不可控的噪声因素，就可以进行稳健设计。程序以产品质量如强度、疲劳性能的分散性为优化目标，自动计算出三组最优的可控参数组合，使产品质量分散性最小，也即对噪声因素不敏感，从而达到了稳健设计的目的。</P>
<P> 3．容差设计</P>
<P> 容差也就是容许偏差。通过参数设计确定了系统各构件参数的最佳组合之后，需要进一步确定这些设计参数波动的容许范围，就是容差设计。</P>
<P> 在Workbench中，对螺栓预紧力容差、螺栓直径容差等设计参数、以及各种噪声因素，通过多目标优化确定其容差范围，使结构强度和疲劳性能在各种因素综合作用下，满足6Sigma质量要求。至此，完成了稳健设计的最后阶段--容差设计。</P>
<P> 注：参数设计是获得高质量产品的关键，也是质量鲁棒性设计的中心内容。它通过各参数的最优组合，使产品对环境条件或其它噪声因素的敏感性降低，在不提高产品成本的前提下使产品质量最好。 </P>
<P> 容差设计是在参数设计不能满足稳健性要求时，采取的一种补救方法，它往往意味着花钱买更好的材料、零件和机器，将使产品成本大幅度提高。<BR></P>
<P align=center><IMG src="http://www.icad.com.cn/pic/2005527155811.jpg"></P>
<P> 4.Workbench稳健设计结果图示<BR><BR> 上图为利用workbench完成的某飞机连接件疲劳寿命的稳健设计：</P>
<P> 红色线条为未经过稳健设计的疲劳寿命正态分布。由于对连接件加工精度的敏感性，疲劳寿命分散性较大，而且部分区域小于设计寿命。显然该设计方案没有满足6Sigma标准，且稳健性不好，结构疲劳性能也不理想。</P>
<P> 绿色线条为经过稳健设计的疲劳寿命正态分布。在系统设计中，采用摩擦螺栓，提高了连接性能和疲劳寿命，从而将分布曲线平移远离疲劳寿命底限。在参数设计阶段，调整螺栓直径及螺栓位置，减小了螺栓加工精度的噪声干扰，使疲劳寿命不再对加工精度敏感，满足了6Sigma质量标准。</P>
<P> ANSYS Workbench真正融入了产品研发的设计、分析、优化整个流程。特别是采用和提供了一些近年来国内外特别重视的，提高产品质量的设计理念与优化方法，例如DOE方法、变分优化方法、多目标优化、灵敏度设计、6Sigma优化以及稳健性设计等。通过Workbench，综合实现产品设计优化、6Sigma设计、质量鲁棒性控制等，为现代化产品研发提供更加可靠的质量保证。</P> 谢谢楼主，转贴过来与我们一同分享！<BR><BR>
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