专注品质 140ESI06210 PLC模块

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摘要

在当下的工业环境中，企业面临着多方面的挑战。降本增效已成为企业发展的必行之路。在这种背景下，利用虚拟测试成为一种可行的战略方法。

然而，仅通过传统的确定性模拟无法充分利用虚拟测试的有效性，尤其是在涉及复杂材料和工艺的复杂场景中，如增强塑料和注塑——这正是我们提出的解决方案的重点。

为了克服确定性方法施加的约束，我们开发了一种稳健的和自适应的设计解决方案。这种创新方法基于解决材料和工艺变化中固有的无数不确定性的基本原则。这些不确定性包括物理和数值两个方面。为了证明这一点，我们可靠性设计解决方案采用了不确定性量化（UQ）框架。

采用可靠性设计方法使用户能够规避过度设计或设计不足的风险。这对于复杂的材料行为尤其适用，其特征是显著的可变性，因此具有高度的不确定性——这是可持续材料中常见的特征。例如，可回收的和生物基物质的材料就是这种可持续发展趋势的例证。在增强塑料领域，我们的可靠性设计解决方案成为理解和有效管理工业领域中这些日益流行的材料的关键推动者。

本研究通过两个不同的案例研究实现了可靠性设计方法：以样本为中心的探索和涉及电池外壳的研究。随后的研究结果被仔细记录和全面检查。我们努力想为读者展示我们这个创新工具包的具体实施范例。这两个例子展示了UQ工具包的实用性，并强调了其对降低成本和提高质量的巨大潜力——对于任何在当代工业框架内认真工作的设计师来说，这都是必不可少的目标。

框架和目标

01

痛点  

在当前充满挑战的经济形势下，各行业迫切需要降低成本，加快新创新的上市时间。成本节约可以通过各种策略来实现，包括大限度地降低材料成本，减少缺陷以达到质量标准，以百万分之一（PPM）量化。为了应对这些挑战，需要一种在遵守产品规范的同时减少材料消耗的设计解决方案。

这项工作是通过虚拟制造来简化产品的上市时间。此外，工业必须通过减少碳足迹来应对新的环境因素。这需要采用创新材料，例如可持续材料。在静态、动态和疲劳条件下，这些创新材料的性能会发生显著变化。

02

为什么固定（确定性）设计不严格  

固定设计或确定性设计代表设计的所有参数都是固定的假设。换句话说，设计几何结构、边界条件和材料特性都是固定的，并且是完全受控的。当然，现实世界并非如此。当通过多次迭代测量材料的性能时，结果永远不会完全相同。

在这种情况下，大多数设计师要么假设平均值，要么假设有可能的情况。一些设计师添加了坏的情况来增加他们的估计的可信度。这两种方法都缺乏严谨性，甚至可能是危险的。

事实上，取平均值的情况并没有考虑所有的情况，例如输入参数的分布是错误。更确切地说，这种情况对应于一种许可设计或设计不足的情况。另一方面，如果我们考虑坏的情况，设计师过于保守，这可能导致使用比必要的材料更多的材料或更高效的产品。后一种情况相当于过度设计。

03

什么是可靠性设计  

可靠性设计和刚性或确定性设计完全相反。在这种情况下，假设所有或一些输入参数相对于某些概率定律而变化。例如，考虑的不是几何图形的固定尺寸，而是该尺寸的一系列值。

类似地，不考虑所使用的材料特性，例如固定的材料强度，而是考虑一系列强度值。然后，目标是评估设计的概率响应，将其与规范进行比较，并得出设计的可靠性是否符合项目参与者定义的一些基线阈值的结论。

可靠设计也可以在文献中以其他术语的形式找到，如基于不确定性量化（UQ）设计、概率设计、随机设计或贝叶斯设计等。任何旨在解释差异性传递的设计。

04

可靠性设计的解决方法  

可靠性设计在科学和工程领域都不是一门新学科。事实上，自从有限元分析（FEA）和六西格玛方法的发展和引入以来，该领域就一直存在。另一方面，目前可用于可靠性设计的解决方案受到以下限制：

• 需要许多不同的工具

可靠性设计需要不同类型的数值工具来进行典型的分析：有限元分析软件、脚本界面、模拟管理器、数据挖掘软件、可视化软件和可靠性分析软件。他们需要的跨学科知识。

• 需要的跨学科知识

为了掌握上述各种工具，可靠性分析需要不同领域的不同类型的专家，如：有限元模拟、数据科学、材料科学、信息技术（IT）和脚本。

• 不适用于增强塑料建模

目前可用的大多数可靠的设计工具要么是通用工具，要么是专门用于金属材料的工具。

考虑到在本节中暴露的所有问题，本文旨在满足以下需求：“如何建立一个可靠性设计解决方案，专门用于增强塑料，该解决方案是集成的，使用简单且高效，通过避免过度设计和设计不足来为客户节省大量成本。”

解决方案

当面临一系列潜在的不确定性时，可靠性设计是加强所选设计方案完整性的基石。这些不确定性可能源于各种原因：

• 物理方面：例如材料的量化性能

• 数值方面：由额外的模拟产生，例如预测材料行为，或与软件得到的取向张量预测相关的不确定性。

所提出的可靠性设计解决方案基于一个包含五个主要步骤的顺序框架，如图 1 所示。

图1：Digimat-RP UQ插件的5个步骤

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