ANSYS稳健设计

发布日期:[08-11-30 22:06:41] 浏览人次:[]

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。

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。

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。

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。


ANSYS Workbench的稳健设计

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。

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:

1.系统设计

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。

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。

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。


2.参数设计

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。

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。

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。

3.容差设计

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。

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

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