ANSYS穩(wěn)健設(shè)計

1、ANSYS穩(wěn)健設(shè)計          通常，產(chǎn)品的質(zhì)量受到各種設(shè)計、工藝、環(huán)境等因素的綜合影響，具有一定的分散性。而這些因素可以分為兩種：可控因素和不可控因素（噪聲因素）?？煽匾蛩厝顼w機構(gòu)件的幾何尺寸、螺栓個數(shù)、材料性能、加工精度等，可以通過合理設(shè)計提高產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。不可控因素如加工機器誤差、工人熟練度、環(huán)境影響、材料老化等，只能通過提高設(shè)計安全裕度、縮小容差來提高可靠性，但這會大幅提高制造成本。    穩(wěn)健設(shè)計（也稱為魯棒設(shè)計 、健壯設(shè)計、robust設(shè)計），是在日本學(xué)者田口玄一

2、提出的三次設(shè)計法上發(fā)展起來的、低成本、高穩(wěn)定性的產(chǎn)品設(shè)計方法。穩(wěn)健設(shè)計包括產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計兩個方面。通過穩(wěn)健設(shè)計，可以使產(chǎn)品的性能對各種噪聲因素的不可預(yù)測的變化，擁有很強的抗干擾能力。產(chǎn)品性能將更加穩(wěn)定、質(zhì)量更加可靠。如下圖，x為可控的設(shè)計因素，z為不可控的噪聲因素（分散性無法控制），產(chǎn)品質(zhì)量y受設(shè)計因素和噪聲因素綜合影響。通過合理調(diào)整設(shè)計因素x，可以使得y對噪聲因素z不再敏感，從而獲得較好的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)健性。     ANSYS Workbench的穩(wěn)健設(shè)計    ANSYS Workbench最新版本9.0，以三次設(shè)計法

3、為基礎(chǔ)，利用其獨有的多目標(biāo)優(yōu)化、6Sigma設(shè)計、穩(wěn)健設(shè)計技術(shù)，可以從系統(tǒng)設(shè)計、參數(shù)設(shè)計、容差設(shè)計等三個層次，完成產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)健性設(shè)計。    下面以飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見的連接件設(shè)計為例，通過Workbench完成其優(yōu)化設(shè)計及穩(wěn)健性設(shè)計流程：    1系統(tǒng)設(shè)計：系統(tǒng)設(shè)計階段，是應(yīng)用專業(yè)技術(shù)進行產(chǎn)品的功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的階段，是從定性角度考慮各參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量的綜合影響，它是整個產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計的基礎(chǔ)。    Workbench可以直接讀入飛機構(gòu)件的CATIA模型及各種設(shè)計參數(shù)，快速完成模型處理、加載求解等過程，并

4、對連接件部位的等多個設(shè)計方案進行精確分析與比較，對系統(tǒng)設(shè)計進行快速的可行性評價和校驗。     根據(jù)工程經(jīng)驗和Workbench分析，可知螺栓/螺孔是應(yīng)力集中部位，對加工精度等噪聲因素很敏感。而采用摩擦螺栓的設(shè)計，將減少應(yīng)力集中，從根本上避免了螺栓加工精度對結(jié)果的影響，從而提高連接件質(zhì)量的穩(wěn)健性。至此，完成“三次設(shè)計”的第一階段系統(tǒng)設(shè)計。    2參數(shù)設(shè)計：參數(shù)設(shè)計階段，是穩(wěn)健設(shè)計中最重要的階段，力圖通過調(diào)整可控因素，尋找一組最佳的設(shè)計參數(shù)組合，減小噪聲因素對產(chǎn)品質(zhì)量性能的干擾，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。  

5、;  Workbench提供兩種快速優(yōu)化方法正交實驗設(shè)計方法(DOE方法)、變分優(yōu)化方法，以最快速度獲得多個設(shè)計參數(shù)的最優(yōu)組合。這一組合，實現(xiàn)了整個結(jié)構(gòu)在減重、強度、疲勞壽命等綜合性能指標(biāo)上的多目標(biāo)優(yōu)化。    而且，如果在Workbench中，輸入螺栓預(yù)緊力、直徑等設(shè)計參數(shù)，同時以螺栓加工精度、裝配公差為不可控的噪聲因素，就可以進行穩(wěn)健設(shè)計。程序以產(chǎn)品質(zhì)量如強度、疲勞性能的分散性為優(yōu)化目標(biāo)，自動計算出三組最優(yōu)的可控參數(shù)組合，使產(chǎn)品質(zhì)量分散性最小，也即對噪聲因素不敏感，從而達(dá)到了穩(wěn)健設(shè)計的目的。    3容差設(shè)計：容差也就是

6、容許偏差。通過參數(shù)設(shè)計確定了系統(tǒng)各構(gòu)件參數(shù)的最佳組合之后，需要進一步確定這些設(shè)計參數(shù)波動的容許范圍，就是容差設(shè)計。    在Workbench中，對螺栓預(yù)緊力容差、螺栓直徑容差等設(shè)計參數(shù)、以及各種噪聲因素，通過多目標(biāo)優(yōu)化確定其容差范圍，使結(jié)構(gòu)強度和疲勞性能在各種因素綜合作用下，滿足6Sigma質(zhì)量要求。至此，完成了穩(wěn)健設(shè)計的最后階段容差設(shè)計。    注：參數(shù)設(shè)計是獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的關(guān)鍵，也是質(zhì)量魯棒性設(shè)計的中心內(nèi)容。它通過各參數(shù)的最優(yōu)組合，使產(chǎn)品對環(huán)境條件或其它噪聲因素的敏感性降低，在不提高產(chǎn)品成本的前提下使產(chǎn)品質(zhì)量最好。  

7、   容差設(shè)計是在參數(shù)設(shè)計不能滿足穩(wěn)健性要求時，采取的一種補救方法，它往往意味著花錢買更好的材料、零件和機器，將使產(chǎn)品成本大幅度提高。     4Workbench穩(wěn)健設(shè)計結(jié)果圖示：     上圖為利用workbench完成的某飛機連接件疲勞壽命的穩(wěn)健設(shè)計：     紅色線條為未經(jīng)過穩(wěn)健設(shè)計的疲勞壽命正態(tài)分布。由于對連接件加工精度的敏感性，疲勞壽命分散性較大，而且部分區(qū)域小于設(shè)計壽命。顯然該設(shè)計方案沒有滿足6Sigma標(biāo)準(zhǔn)，且穩(wěn)健性不好，結(jié)構(gòu)疲勞性能也不理想。    綠色線條為經(jīng)過穩(wěn)健設(shè)計的疲勞壽命正態(tài)分布。在系統(tǒng)設(shè)計中，采用摩擦螺栓，提高了連接性能和疲勞壽命，從而將分布曲線平移遠(yuǎn)離疲勞壽命底限。在參數(shù)設(shè)計階段，調(diào)整螺栓直徑及螺栓位置，減小了螺栓加工精度的噪聲干擾，使疲勞壽命不再對加工精度敏感，滿足了6Sigma質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。    總結(jié)：    ANSYS Workbench真正融入了產(chǎn)品研發(fā)的設(shè)計、分析、優(yōu)化整個流程。特別是采用和提供了一些近年來國內(nèi)外特別重視的，