Un modello di analisi decisionale per la selezione dei materiali utilizzando un semplice processo di classificazione

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8631 (2023) Citare questo articolo

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Un gran numero di materiali e vari criteri modellano i problemi di selezione dei materiali come complessi problemi decisionali multicriterio (MCDM). Questo articolo propone un nuovo metodo decisionale chiamato processo di classificazione semplice (SRP) per risolvere problemi complessi di selezione dei materiali. L'accuratezza dei pesi dei criteri ha un impatto diretto sui risultati del nuovo metodo. A differenza degli attuali metodi MCDM, la fase di normalizzazione è stata eliminata dal metodo SRP in quanto potenziale fonte di risultati errati. L'applicazione del metodo è appropriata per situazioni con elevati livelli di complessità nella selezione dei materiali perché considera solo i ranghi delle alternative in ciascun criterio. Il primo scenario del metodo mediocre vitale-immateriale (VIMM) viene utilizzato come strumento per derivare i pesi dei criteri basati sulla valutazione di esperti. Il risultato dell'SRP viene confrontato con una serie di metodi MCDM. Al fine di valutare i risultati del confronto analitico, in questo articolo viene proposta una nuova misura statistica nota come indice decisionale di compromesso (CDI). Il CDI ha rivelato che i risultati dei metodi MCDM per risolvere la selezione dei materiali non possono essere dimostrati teoricamente e devono essere valutati attraverso la pratica. Di conseguenza, viene introdotta l'analisi di dipendenza, un'ulteriore misura statistica innovativa per dimostrare l'affidabilità dei metodi MCDM valutando la sua dipendenza dai pesi dei criteri. I risultati hanno dimostrato che l’SRP è estremamente dipendente dai pesi dei criteri e la sua affidabilità aumenta con il numero di criteri, rendendolo uno strumento perfetto per risolvere problemi complessi di MCDM.

I problemi di selezione dei materiali e i metodi decisionali multicriterio (MCDM) hanno forti relazioni. La selezione dei materiali adatti è il compito più impegnativo nella progettazione e nello sviluppo di nuovi prodotti1. La progettazione ingegneristica ruota attorno agli obiettivi di raggiungere prestazioni elevate, minimizzare i costi ed essere attenti all'ambiente, che sono spesso vincolati dai materiali. Pertanto, uno degli obiettivi chiave della progettazione ottimale del prodotto è la selezione di materiali che soddisfino i criteri di progettazione offrendo allo stesso tempo il massimo livello di prestazioni al costo più economico2,3. La selezione dei materiali è un processo decisionale complesso che prevede la selezione dei materiali più adatti da una gamma di alternative disponibili sulla base di molteplici criteri. Il Multi-Criteria Decision Making (MCDM) si riferisce a una classe di metodi matematici utilizzati per risolvere problemi decisionali così complessi. Questi problemi spesso sorgono in situazioni del mondo reale in cui i decisori devono scegliere tra una serie di alternative che differiscono in base a diversi criteri o dimensioni. L'obiettivo di MCDM è identificare la migliore alternativa possibile o un insieme di alternative in base alle preferenze e priorità dei decisori. I problemi MCDM sono tipicamente rappresentati in un formato a matrice, dove ogni riga rappresenta un'alternativa e ogni colonna rappresenta un criterio. Gli elementi della matrice corrispondono alla prestazione di ciascuna alternativa su ciascun criterio. Ai decisori viene quindi chiesto di fornire pesi o priorità per ciascun criterio, indicando l'importanza relativa di ciascun criterio nel processo decisionale. I problemi di selezione dei materiali implicano anche la valutazione e la selezione del materiale più adatto da un insieme di alternative basate su molteplici criteri. Questo tipo di problema richiede che il decisore soppesi l’importanza di ciascun criterio e valuti di conseguenza le alternative. Le decisioni sulla selezione dei materiali in genere coinvolgono molteplici criteri contrastanti, come costi, prestazioni, durabilità, proprietà fisiche e ingegneristiche, fattori ambientali, costi e producibilità, tra gli altri. Questi criteri possono avere unità di misura diverse, rendendo difficile confrontare e valutare le alternative utilizzando un unico parametro. Poiché la selezione del materiale potrebbe essere convertita in una forma-problema MCDM, i metodi MCDM sono soluzioni adatte per trovare il materiale migliore per soddisfare le esigenze di progettazione e sviluppo dei prodotti. Molti ricercatori hanno attirato l’attenzione sulla connessione tra i metodi MCDM e i problemi di selezione dei materiali. Secondo4, tra i vari metodi e tecniche utilizzati per selezionare il materiale più adatto per i diversi progetti, le metodologie MCDM sono tra gli approcci più popolari. I riferimenti5 chiamano i problemi di selezione dei materiali dilemmi MCDM e6 ritengono che i metodi MCDM siano l'unica soluzione per i problemi di selezione dei materiali che incorporano un gran numero di caratteristiche prestazionali concorrenti e coinvolgono molti decisori. Similmente a questi ultimi autori7, sostiene che i metodi MCDM sono strumenti efficienti per gestire efficacemente i problemi di selezione dei materiali che incorporano varie proprietà dei materiali e vari criteri. Il riferimento 8 ha inoltre menzionato che i metodi MCDM aiutano a ottenere i risultati desiderati da un prodotto poiché i metodi valutano le prestazioni dei materiali in base a criteri contrastanti. L'uso dei metodi MCDM nei problemi di selezione dei materiali presenta numerosi vantaggi. Innanzitutto, fornisce un approccio sistematico e obiettivo per valutare e classificare i materiali in base a molteplici criteri. In secondo luogo, aiuta i decisori a identificare i criteri critici che hanno l’impatto più significativo (avendo il valore di peso più alto) sulla decisione. In terzo luogo, consente ai decisori di valutare e confrontare le prestazioni di diversi materiali in diversi scenari. Infine, fornisce un approccio trasparente e strutturato al processo decisionale, che può aiutare a creare consenso e migliorare la comunicazione tra le parti interessate. I metodi MCDM sono ampiamente utilizzati nei problemi di selezione dei materiali per calcolare i pesi dei criteri e determinare il rango dei materiali. Diversi studiosi hanno proposto varie categorie per questi due compiti. I metodi di ponderazione MCDM possono generalmente essere classificati in due categorie: metodi di ponderazione soggettiva e metodi di ponderazione oggettiva. I metodi di ponderazione soggettiva si basano esclusivamente su opinioni, aspettative e giudizi umani per assegnare pesi ai criteri, mentre i metodi di ponderazione oggettiva estraggono i pesi dei criteri dalla matrice del problema decisionale. I metodi di classificazione sono suddivisi in quattro sottocategorie, inclusi i metodi di superamento, i metodi di classificazione di compromesso, i metodi basati sulla distanza e i metodi che utilizzano il confronto a coppie. La complessità di un problema MCDM è associata a: