产品研发中的鲁棒性设计

产品研发中的鲁棒性设计

作者：安世亚太戴若犁

通常的情况下，在我们设计结构的时候总是基于产品需要承受的各种结构载荷、温度分布等预先给定的条件。然而，生产工艺、材料特性、乃至产品运行环境很少能够像预想的精确。诸如此类的环境参数在一定的范围内变动，导致生产出不合格产品，以及产品在使用当中的失效。

ANSYS的鲁棒性设计功能使得工程师们能够最大程度上减少此类问题的产生，使得产品能够抵抗不同的环境参数的影响，像设计预期那样工作。通过相关功能，用户可以量化产品失稳率（失效率），并由此抵消设计中的不确定性，例如材料参数的起伏，产品工作环境的变化，生产工艺变动以及产品老化等等。

鲁棒性设计方法着眼于提高工程生产率，五十年来不断发展，帮助全球产业界（包括汽车、航空、商用设备、电讯、电子以及软件等行业）节约了数亿美元的成本。

鲁棒性设计几乎可以应用于生产流程的每个阶段，包括财务处理。而在ANSYS当中，该功能用于求出模型中的未定因素对最终结果（如形变，应力分布）的影响程度。基于概率表征法，通过对不确定性的静力分析来量化产品的可靠度以及质量。

鲁棒性设计并不仅仅是一种概率表征方法，它使得用户可以优化设计参数已达到某种预期的状态，例如六西格玛标准：每百万件产品中只有3.4件不合格。六西格玛标准主要集中于成产流程，并由此优化生产工艺，而工艺的改进使得产品生产自动符合六西格玛质量标准。

六西格玛标准设计

产品的设计在很大程度上直接影响产品的质量，由此应运而生的是被称为六西格玛标准设计（DFSS）的设计优化方法，它可使生产出来的产品自动符合六西格玛质量标准，目前流行的算法源于美国通用电气公司的早期工作。对于鲁棒性设计及六西格玛设计，质量是优化过程中显见的目标，鲁棒性设计由此成为采用六西格玛标准公司的有力工具。

六西格玛标准设计基于：

* 提高工程生产力是的新产品能迅速面世并降低成本

* 基于评估的管理技术使不合格产品率最低

六西格玛标准设计方法从两个完全不同的方向逼近产品质量的提高。首先，研究各种参量变化情况，并尽量减少各种参量的变化，在生产流程中把产品尺寸、材料、特性的变动控制在+/- 6方差以内。这种方法需要对产品特性的参数敏感度进行大量和连续性测量与计算。

而另一个方向是通过设计符合质量标准的产品，并使其同时处于特性变化非常大（对某些参数特别敏感）的状态。通过这样的办法，我们可以找到哪些参数对产品的特性变动影响最大，哪些参数最为敏感，这是相当有价值的信息。ANSYS DesignXplorer家族的鲁棒性设计正是基于这种概念。

ANSYS的鲁棒性设计工具

ANSYS DesignXplorer VT和DesignXplorer使得用户可以进行自己的鲁棒性设计计算。通过这两个工具包，用户可以定义不确定的设计参数以及设计中所关心的产品特性参数，并通过一组优化目标（如使产品失效率降到最低，或者将产品合格率/质量提升到最高）进行相应的计算，如图1所示DesignXplorer同时包含了目标优化以及六西格玛设计的元素，二者结合成为鲁棒性设计的根本。这些优化目标最终可以用应力、形变、重量、频率、疲劳寿命等产品特性参数表征。

图1

鲁棒性设计将概率特征法和优化理论结合在一起，通过强大的优化技术，我们甚至可以处理多个优化目标的问题，乃至概率化优化目标的问题。一个典型的多个目标优化例子，在把产品重量降到最低以节约生产成本的同时，还要达到最低的产品失效率以降低售后维护

成本。鲁棒性设计可以应用于此类确定目标的优化问题，也可以应用于概率化优化目标的问题。为了与工业命名标准一致，我们把这种优化的方法称为“多目标优化”。

鲁棒性设计是ANSYS的新功能，由DesignXplorer系列产品实现。鲁棒性设计模块可以针对CAD软件中的参数或任何Workbench Design Simulation环境下的设计参数；还可以在ADPL语言程序中实现，针对ParaMesh的参数，并对已经建好或者新建立的模型进行优化计算，生成的响应曲面让用户可以迅速看到输入参数对产品特性的影响程度，如图2。

图 2

DesignSpace模块拓宽了用户的模拟范畴，DesignXplorer则将使得用户的模拟更深入一层，走上一条通往DFSS的捷径！(end)