Software: CAD - Tutorial - Optimierung - Toleranzen - Robust-Design

↑

← →

Robust-Design-Optimierung (Einführung)

Aufgabe des Ingenieurs ist es, die Anforderungen an die Funktionalität eines technischen Produktes (im Beispiel der Biegefeder) trotz der unvermeidbaren Streuungen und Unsicherheiten immer zu gewährleisten. In der Industrie werden dafür enorme Anstrengungen mit hohem Aufwand und Kosten unternommen:

• Durchführung von statistischer Versuchsplanung (Stichproben) mit vielen echten Prototypen.
• Häufig kostenintensive Produktänderungen während der Vorserienfertigung und sogar in der Serienfertigung.

Ein moderner und kostengünstiger Ansatz zur Lösung dieses Problems liegt in der modellbasierten probabilistischen Optimierung der Produktparameter unter Berücksichtigung der Streuungen in sehr frühen Entwurfsphasen:

• Gesucht werden geeignete Produktparameter, damit das Produktverhalten trotz der unvermeidbaren Streuungen und Unsicherheiten von Eingangsgrößen robust allen Anforderungen gerecht wird. Das bedeutet, dass die Streuungen der Produktparameter nur zulässige Streuungen der Produkteigenschaften verursachen.
• Diesen Prozess nennt man Robust-Design-Optimierung, weil er meist zu Lösungen führt, welche möglichst unempfindlich auf Eingangsstreuungen reagieren.

Die modellbasierte Optimierung beginnt ausgehend von einem ersten Entwurf mit einer Nennwert-Optimierung:

• Die Nennwert-Optimierung führt zu einer Lösung, welche meist die Grenzen des Zulässigen ausschöpft (in der Grafik am Beispiel zweier Bewertungsgrößen Y1 und Y2 demonstriert):

• Berücksichtigt man mittels probabilistischer Simulation (Versuchsplanung mit Stichprobe) für dieses Nennwertoptimum die wirksamen Streuungen, so liegt ein Teil der Lösungen außerhalb der zulässigen Spezifikation.
• Um eine Ausschussquote von Null zu erreichen, ist es häufig erforderlich, die Nennwerte des Optimums so zu verschieben, dass die gesamte Streuung innerhalb des zulässigen Lösungsraumes liegt.
• Günstig ist in solch einem Fall, wenn man zusätzlich die Empfindlichkeit der Lösung in Hinblick auf die Streuung der Eingangsparameter verringern kann (Erhöhung der Robustheit).

In unserem Beispiel der Biegefeder ist eine Verschiebung der Parameter-Nennwerte nicht erforderlich:

• Es genügt, die Streuung der Federkonstante c_Feder auf eine Toleranzbreite von ±10% um den Sollwert zu verringern.
• Als Ergebnis der vorherigen Toleranz-Analyse wissen wir, dass man dieses Ziel wahrscheinlich erreichen kann, indem man nur die Toleranz der Federdicke verringert.
• Dafür können wir das sehr genaue Ersatzmodell (Polynomfunktionen) benutzen, welches für den ursprünglichen Bereich der Streuung ermittelt wurde, weil wir die Grenzen dieses Modells bei einer Verringerung des Streubereiches nicht verlassen!
• Dieser "virtuelle Entwurf" spart insbesondere bei aufwändigen Originalmodellen extrem viel an Berechnungszeit.

← →