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Determinação do tamanho de lote mínimo em amostragem aleatória para materiais, empregando a distribuição de Weibull

Determination of minimum sample size from randomic numbers for materials, applying Weibull distribution

Resumos

Para materiais frágeis, nos quais algumas propriedades podem ser representadas pela distribuição de Weibull, destaca-se a necessidade de que um método seja apresentado para a determinação de lotes mínimos. Um modelo foi construído a partir de um método já aplicado para distribuição normal, com o auxílio de ferramentas estatísticas, desenvolvida em metodologia quantitativa e exploratória. Realizada a coleta números verdadeiramente aleatórios, em distribuição normal, conforme coeficientes de variação pré-estabelecidos para quatro faixas de numéricas, simulando também uma dispersão aleatória. Estes números foram desdobrados em distribuições menores, simulando tamanho de lotes. Utilizou-se a metodologia de Cochran, com a adoção de critérios específicos para a distribuição de Weibull. Foram produzidas tabelas numéricas que relacionam os coeficientes de variação de Weibull, faixa numérica e parâmetros de Weibull para a determinação de lotes mínimos em função do número máximo de amostras.

lotes mínimos; materiais frágeis; Weibull.


Regarding brittle materials, where some properties can be represented by Weibull distribution, the necessity of a new method of minimum sample be presented must be highlighted. Thus, a model has been built as baseline from a method already applied to normal distribution supported by statistical tools. Applying Cochran methodology, a new model was built, starting from numbers truly random, under normal distribution and using variation coefficients by four given numerical ranges faking the brittle materials randomly dispersion. Such numbers packs were deployed into new smaller distributions. Ensuring normal and distribution compliance. Adopting specific criteria, numerical tables are outcome, which encloses coefficient of variation, numerical ranges and Weibull parameters with minimum batch number as a function of the maximum number of batches.

minimum batch; brittle materials; Weibull.


INTRODUÇÃO

A distribuição de Weibull tem sido, em recentes anos, utilizada em grande número de trabalhos científicos para a determinação de vida útil ou previsões nas áreas aeroespacial, automotiva, geração elétrica, médica e dentária, eletrônica e em diversas outras. Dodson(1)B. Dodson, "The Weibull Analysis Handbook", 2nd Ed., ASQ Quality Press (2006). estabelece 4 funções de interesse para o uso de Weibull, sendo a principal delas a função densidade de probabilidade, simbolizada por f(x), que descreve a forma da distribuição. É representada pela equação:

na qual β é o prâmetro de forma, número adimensional, também conhecido como módulo de Weibull (m) e inclinação da distribuição de Weibull, θ é o parâmetro de escala. Significa o valor de tempo em que 63,2% das falhas ocorrem se o parâmetro de localização for igual a zero. δ é o parâmetro de localização ou de posição ao longo do eixo das abscissas. Em caso de δ ≠ zero, δ é a vida mínima da população. O objetivo geral deste artigo está associado em apresentar um novo método para a determinação de lotes mínimos para materiais que apresentam distribuição por Weibull que se inicia com o uso de uma ferramenta aplicada para distribuições normais(2)W. G. Cochran, The estimation of sample size, in: W. G. Cochran, "Sampling techniques", 3ª Ed., John Willey, New York, EUA (1977) p. 72-90., contribuindo com o preenchimento de uma lacuna no meio acadêmico, onde são raras bibliografias para esta área.

Métodos de estimação de parâmetros

Dodson(1)B. Dodson, "The Weibull Analysis Handbook", 2nd Ed., ASQ Quality Press (2006). apresenta e destaca três métodos de estimação de parâmetros: Gráfico (Probability Plotting - PP), método de risco (Harzard Plotting - HP) e método de máxima verossimelhança (Máximum Likelihood Estimation - MLE). Em geral, todos possuem vantagens de utilização e suas próprias limitações. Recomenda o uso do método gráfico ou método de risco para a melhor verificação da qualidade da linearização proposta para a distribuição de Weibull. Diversos autores(3)M. A. Al-Fawzan, "Methods for Estimating the Parameters of the Weibull Distribution", King Abdul-Aziz City for Science and Technology (2000)., (4)S. Kirtay, D. Dispinar, Effect of Ranking Selection on the Weibull Modulus Estimation, Gazi Univ. J. Sci. 25, 1 (2012) 175-187. apresentaram trabalhos com uso de vários métodos não paramétricos para a determinação de parâmetros de Weibull. Yahaya et al(5)A. S. Yahaya, C. S. Yee, N. A. Ramli, F. Ahmad, Determination of Best Probability Plotting Position for Predicting Parameters of Weibull Distribution, Int. J. Appl. Sci. Tech. 2, 3 (2012) 106-111. apresentam uma compilação de outros diversos estudos.

Determinação de lotes mínimos

Cochran(2)W. G. Cochran, The estimation of sample size, in: W. G. Cochran, "Sampling techniques", 3ª Ed., John Willey, New York, EUA (1977) p. 72-90. utiliza dois tipos de erros para determinação de lotes mínimos para distribuições normais. O primeiro, erro α é o nível de risco caracterizado pela distribuição T-Student, cujo valor, geralmente utilizado na literatura é 0,05. O segundo erro, denominado erro relativo r deve ser controlado na população total ou média. Deste modo:

na qual Pr é a probabilidade de r ocorrer e N é o número total de itens da amostra (população). Assim, tem-se que:

A equação D de Cochran deriva da equação C e usa quatro fatores principais:

na qual n 0 = valor do lote mínimo calculado, t = o erro alfa (α) T-Student, S2 = valor da variância da amostra, r = erro relativo e = valor da média da população. Cochran(2)W. G. Cochran, The estimation of sample size, in: W. G. Cochran, "Sampling techniques", 3ª Ed., John Willey, New York, EUA (1977) p. 72-90. estabelece que o resultado obtido com n0 deverá ser inferior do que 5% do número de amostras. Caso isto não aconteça, a correção ou refinamento deverá ser realizada através de uma nova fórmula:

na qual nf = novo número de lote mínimo e N = número de amostras do lote.

Coeficiente de variação

Definido como a relação entre o desvio padrão S e a média aritmética do lote μ,

MÉTODOS

O procedimento sistemático do método de pesquisa do processo organização foi definido em duas etapas. A primeira consiste na construção das tabelas de relacionamento entre números aleatórios de distribuição normal (método normal), que possuem a determinação de lotes mínimos por meio da equação D de Cochran e métodos de determinação de parâmetros de Weibul, em uma faixa determinada de erro relativo r e, a segunda, busca da validação experimental do método proposto para materiais frágeis. A seguir, estes passos são detalhados: 1) definição das faixas de números: foram definidas as faixas aleatórias de números entre 0 e 1, 0 a 0,75, 0 a 0,5 e 0 a 0,25, com a intenção de simular quatro níveis aleatórios de dispersão (partindo-se de um menor até um maior) como mostrado na Tabela I; 2) definição dos coeficientes de variação: foram determinados, aleatoriamente, os coeficientes de variação, em número de 0,1, 0,2, 0,3 e 0,4, e calculados a média aritmética e o desvio padrão das faixas numéricas, como mostrado na Tabela I; geração e coleta de 300 números verdadeiramente aleatórios(6)M. Haar, Random Decimal Fraction Generator, disponível em http://www.random.org/, acesso em 29/08/2012.
http://www.random.org/...
, dentro das faixas de números em função dos coeficientes de variação definidos na Tabela I, consideradas como amostras completas; sublotes foram criados, retirando-se os cinco últimos números de cada lote sequencial, respeitando-se o seu rank ordinário original, distribuídos em 60 sublotes (denominados lotes originais), por 4 coeficientes de variação e para 4 faixas numéricas, perfazendo o número total de 960 novas distribuições.

Tabela I/ Table I
Determinação de FN, coeficientes de variação CV, média e desvio padrão. Determination of FN, CV, average and standard deviation.

  • - Utiliza-se o teste de Kolmogorov-Smirnov para a adequação de normalidade e para a adequação à distribuição de Weibull, os três métodos de estimação de parâmetros (MLE, PP e HP) para os cálculo dos parâmetros de forma β e de localização θ, além da avaliação do coeficiente de relacionamento n(R2) nos métodos de HP e PP, já que utilizam a regressão linear simples.

  • - Aplicação da equação de Cochran para determinação de n0 (equação D) e, em caso de que n0 > 5% e da fórmula de correção (equação E) para cálculo de nf.

  • - Aplicação dos critérios de Cochran (1977) em função do erro relativo para distribuição normal e para distribuições de Weibull na faixa foi de 1 a 10%, ou seja, de 0,01 a 0,1, considerando-se o limite de 10% de precisão (accuracy) em qualquer medição o máximo tolerável neste modelo. Assim, foram realizadas 38.400 interações.

  • - Determinação do número máximo de amostras necessárias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e o tamanho de lote mínimo LM para o método normal e para os métodos de Weibul, a partir das seguintes premissas:

  • a) o sentido adotado foi do maior lote para os menores, ou seja, o ponto de raiz foi N = 300 seguindo-se em diante; b) a média aritmética simples é o parâmetro de referência para a determinação do lote mínimo; c) intervalo de números aceitos para cálculo de média seria de, no mínimo, composto de um intervalo com 6 números (n ≥ 6); d) amplitude no intervalo de +1 ou -1 em relação à média do item anterior; e) apenas um valor não enquadrado no quarto critério, pode ser aceito na composição da média; f) aplicação dos itens anteriores para a determinação de beta e teta.; g) arrendondamentos: até decimal 5 (inclusive), "arrendonda-se para baixo" e para o caso de decimal acima de 5 (exclusive) "arrendonda-se para cima";

  • - exclusão de valores obtidos pela correção , conforme equação E ou manutenção de n0 que se igualavam ao lote original N;

  • - Confecção de tabelas de relacionamento de parâmetros de Weibull, coeficientes de variação e erro r para a determinação de lotes mínimos.

  • - validação experimental do método proposto para materiais frágeis.

RESULTADOS

Apresentação das tabelas geradas

As Tabelas II a XVII geradas a partir da sequência rigorosa dos 11 passos anteriores, mostram os valores obtidos como número mínimo de amostras necessárias para determinação de lote mínimo em um material que possua. Assim, o método apresenta foram geradas comparativamente entre o método normal e os três métodos de determinação de parâmetros de Weibull, em função do erro relativo da equação E de Cochran na faixa de erro relativo de 0,1 a 0,01 (1 a 10%), β e θ e, também, em função do coeficiente de variação de Weibull e faixa numérica de dispersão. Estas tabelas consideram o tamanho de lote mínimo LM como menor ou igual a n-1 e o número máximo de amostras necessárias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx para o valor do parâmetro de localização θ maior ou igual a 5.

Tabela II/ Table II
Número máximo de amostras necessárias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo ideal para coeficientes de variação = 0,1 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 1 em função erro relativo r. Nmáx and minimum batches for CV = 0.1 and FN between 0 and 1 as function of r.

Tabela III/ Table III
Número máximo de amostras necessárias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo ideal para coeficientes de variação = 0,2 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 1 em função do erro relativo r. Nmáx and minimum batches for CV = 0.2 and FN between 0 and 1 as function of r.

Tabela IV/ Table IV
Número máximo de amostras necessárias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo ideal para coeficientes de variação = 0,3 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 1 em função do erro relativo r. Nmáx and minimum batches for CV = 0.3 and FN between 0 and 1 as fucntion of r.

Tabela V/ Table V
Máximo de amostras necessarias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo ideal para coeficientes de variação = 0,4 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 1 em função do erro relativo r. Nmáx and minimum batches for CV = 0.4 and FN between 0 and 1 as function of r.

Tabela VI/ Table VI
Número máximo de amostras necessarias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo ideal para coeficientes de variação = 0,1 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 0,75 em função do erro relativo r. Nmáx and minimum Batches for CV = 0.1 and FN between 0 and 0.75 as function of r.

Tabela VII/ Table VII
Número máximo de amostras necessarias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo ideal para coeficientes de variação = 0,2 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 0,75 em função do erro relativo r. Nmáx and minimum batches for CV = 0.2 and FN between 0 and 0.75 as function of r.

Tabela VIII/ Table VIII
Número máximo de amostras necessarias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo ideal para coeficientes de variação = 0,3 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 0,75 em função do erro relativo r. Nmáx and minimum batches for CV = 0.3 and FN between 0 and 0.75 as funcion of r.

Tabela IX/ Table IX
Número m de amostras necessarias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo ideal para coeficientes de variação = 0,4 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 0,75 em função do erro relativo r. Nmáx and minimum batches for CV = 0.4 and FN between 0 and 0.75 as function of r.

Tabela X/ Table X
Número máximo de amostras necessarias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo ideal para coeficientes de variação = 0,1 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 0,5 em função do erro relativo r. Nmáx and minimum batches for CV = 0.1 and FN between 0 and 0.5 as function of r.

Tabela XI/ Table XI
Número máximo de amostras necessarias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo Ideal para coeficientes de variação = 0,2 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 0,5 em função do erro relativo r. Nmáx and minimum batches for CV = 0.2 and FN between 0 and 0.5 as function of r.

Tabela XII/ Table XII
Número máximo de amostras necessarias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo ideal para coeficientes de variação = 0,3 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 0,5 em função do erro relativo r. Nmáx and minimum batches for CV = 0.3 and FN between 0 and 0.5 as function of r.

Tabela XIII/ Table XIII
Número máximo de amostras necessarias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo ideal para coeficientes de variação = 0,4 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 0,5 em função erro relativo (r) Nmáx and minimum batches for CV = 0.4 and FN between 0 and 0.5 as function of r.

Tabela XIV/ Table XIV
Número máximo de amostras necessarias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo Ideal para coeficientes de variação = 0,1 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 0,25 em função erro relativo r. Nmáx and minimum batches for CV = 0.1 and FN between 0 and 0.25 as function of r.

Tabela XV/ Table XV
Número máximo de amostras necessarias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo ideal para coeficientes de variação = 0,2 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 0,25 em função do erro relativo r. Nmáx and minimum batches for CV = 0.2 and FN between 0 and 0.25 as function of r.

Tabela XVI/ Table XVI
Número máximo de amostras necessarias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo ideal para coeficientes de variação = 0,3 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 0,25 em função do erro relativo r. Nmáx and minimum batches for CV = 0.3 and FN between 0 and 0.25 as function of r.

Tabela XVII/ Table XVII
Número máximo de amostras necessarias para definição do tamanho do lote mínimo Nmáx e tamanho do lote mínimo ideal para coeficientes de variação = 0,4 e faixa numérica de dispersão FN de 0 a 0,25 em função do erro relativo r. Nmáx and minimum batches for CV = 0.4 and FN between 0 and 0.25 as function of r.

Aplicação prática do método para validação

Todo método experimental necessita ser testado em casos práticos para que seja verificada a sua respectiva aplicabilidade e repetibilidade, dentro de uma abordagem cartesiana, de modo que seja possível a sua validação para a Ciência. Com este fim, foram selecionados dois lotes de materiais cerâmicos aleatórios constantes em trabalhos desenvolvidos na literatura. Hespanhol(7)D. C. F. Hespanhol, "Influência da dispersão na Avaliação de Lotes Mínimos para a Determinação de Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p. apresentou um lote composto por 71 amostras de material cerâmico submetidas a ensaio de flexão de quatro pontos em máquina universal de ensaios, com os resultados de Tensão de Ruptura (σrup) apresentados na Tabela XVIII. Como metodologia para a aplicação do método proposto neste artigo, três etapas bastante importantes devem ser seguidas: a) cálculo de dos parãmetros de Weibull: beta e teta; b) cálculo do coeficiente de variação (relação entre o desvio-padrão e a média); c) admensionamento dos valores da tabela e identificação de qual tabela utilizar.

Tabela XVIII/ Table XVIII
Valores obtidos de tensão de ruptura (σrup) de corpos cerâmicos em Mpa(7)D. C. F. Hespanhol, "Influência da dispersão na Avaliação de Lotes Mínimos para a Determinação de Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p.. Values of breakdown voltage (σrup) MPa ceramic bodies extracted(7)D. C. F. Hespanhol, "Influência da dispersão na Avaliação de Lotes Mínimos para a Determinação de Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p..

Para o cálculo de beta, teta e coeficiente de variação desta distribuição foi utilizado o mesmo software inicialmente para a determinação dos parâmetros de Weibull. Os resultados são apresentados na Tabela XIX.

Tabela XIX/ Table XIX
Valores de Weibull obtidos de tensão de ruptura de corpos cerâmicos(7)D. C. F. Hespanhol, "Influência da dispersão na Avaliação de Lotes Mínimos para a Determinação de Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p.. Weibull values of tensile strength of ceramic bodies(7)D. C. F. Hespanhol, "Influência da dispersão na Avaliação de Lotes Mínimos para a Determinação de Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p..

Para a etapa de admensionalização, é necessário que toda os valores da distribuição sejam divididos pelo maior valor existente, simulando a dispersão existente na distribuição. Neste caso, o valor de 16,85 (rank = 71) será usado como denominador para o adimensionamento. Os resultados são apresentados na Tabela XX.

Tabela XX/ Table XX
Adimensionamento dos valores obtidos de tensão de ruptura em MPa de corpos cerâmicos(7)D. C. F. Hespanhol, "Influência da dispersão na Avaliação de Lotes Mínimos para a Determinação de Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p.. Adimensionamento values of stress at break MPa ceramic bodies(7)D. C. F. Hespanhol, "Influência da dispersão na Avaliação de Lotes Mínimos para a Determinação de Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p..

Para a etapa de escolha da tabela a ser utilizada, calcula-se a amplitude dos números admensionalizados, ou seja, a diferença entre o valor máximo e o valor mínimo. Neste caso, o valor máximo será 1,00 e o valor mínimo será 0,34. A diferença entre os dois é 0,66. Deste modo, a tabela a ser escolhida é a que apresenta a faixa de 0 a 0,75.

Em resumo, a tabela a ser escolhida para a determinação de lote mínimo em função do erro relativo deve ser a faixa de 0 a 0,75 e coeficiente de variação de 0,3 para MLE e HP (Tabela VII). Para o método PP, mantendo-se a mesma faixa numérica, o CV adotado é 0,2 (Tabela VI). Além disto, deve ser considerado o valor do parâmetro de forma beta. Verifica-se que os valores de lotes máximos Nmax existentes para o aparecimento do lote mínimo LM são maiores do que 71, o que não permite a aplicabilidade nestas condições para os métodos MLE e PP. No caso de HP, temos o limite para r = 0,08; um valor de Nmax de 60, para um lote mínimo de 22 amostras. Como opção para os métodos MLE e PP podemos utilizar o valor de CV para 0,2, já que o valor de beta da distribuição está em 4 e, aplicando-se o critério de amplitude +1 ou -1 para a determinção de lote mínimo (página 3, premissa 8/d), o valor de beta pode ser considerado como 5. No caso de MLE, temos o limite para r = 0,1; um valor de Nmax de 60, para um lote mínimo de 16 amostras. No caso do método PP, temos o limite para r = 0,09; um valor de Nmax de 50, para um lote mínimo de 17 amostras. Tamy(8)V. Tamy, "Influência dos Estimadores de Rank e do Tamanho do Lote nos Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p. apresentou um lote composto por 30 amostras de material cerâmico também foram submetidas a ensaio de flexão de quatro pontos em máquina universal de ensaios, com os resultados de tensão de ruptura (σrup) apresentados na Tabela XXI.

Tabela XXI/ Table XXI
Valores obtidos de tensão de ruptura de corpos cerâmicos(8)V. Tamy, "Influência dos Estimadores de Rank e do Tamanho do Lote nos Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p.. Values of tensile strength of ceramic bodies(8)V. Tamy, "Influência dos Estimadores de Rank e do Tamanho do Lote nos Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p..

Para o cálculo de beta, teta e coeficiente de variação desta distribuição foi utilizado o mesmo software inicialmente para a determinação dos parâmetros de Weibull. Os resultados são apresentados na Tabela XXII.

Tabela XXII/ Table XXII
Valores de Weibull obtidos de tensão de ruptura de corpos cerâmicos(8)V. Tamy, "Influência dos Estimadores de Rank e do Tamanho do Lote nos Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p.. Weibull values of tensile strength of ceramic bodies(8)V. Tamy, "Influência dos Estimadores de Rank e do Tamanho do Lote nos Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p..

Tabela XXIII/ Table XXIII
Adimensionamento dos valores obtidos de tensão de ruptura de corpos cerâmicos(8)V. Tamy, "Influência dos Estimadores de Rank e do Tamanho do Lote nos Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p.. Adimensionamento values obtained from the rupture stress of the ceramic bodies(8)V. Tamy, "Influência dos Estimadores de Rank e do Tamanho do Lote nos Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p..

Para a etapa de adimensionalização, é necessário que toda os valores da distribuição sejam divididas pelo maior valor existente, simulando a dispersão existente na distribuição. Neste caso, o valor de 43,5 (rank = 7) será usado como denominador para o adimensionamento. Os resultados são apresentados na Tabela XXIX.

Tabela XXIV/ Table XXIV
Métodos com melhor aplicação, pelo critério de desvio médio percentual, entre os LM obtidos para as distribuições de Weibull e método normal em relação ao erro relativo r. Methods with better fit in light of percent average deviation (DMP) criteria among LM found for Weibull distribution and normality method in light of relative error r.

Tabela XXV/ Table XXV
Métodos com pior aplicação, pelo critério de desvio médio percentual, entre os LM obtidos para as distribuições de Weibull e método normal em relação ao erro relativo r. Methods with worst fit in percent average deviation (DMP) criteria among LM found for Weibull distribution and normality method in light of relative error r.

Tabela XXVI/ Table XXVI
Valores obtidos para desvio médio percentual entre os Nmax obtidos para as distribuições de Weibull e método normal em relação ao erro relativo r. Values found in percent average deviation (DMP) criteria among LM found for Weibull distribution and normality method in light of relative error r.

Tabela XXVII/ Table XXVII
Valores obtidos para desvio médio percentual entre os Nmax obtidos para as distribuições de Weibull e método normal em relação ao erro relativo r. Values found in percent average deviation (DMP) criteria among Nmax found for Weibull distribution and normality method in light of relative error r.

Tabela XXVIII/ Table XXVIII
Dimensionamento para erro relativo (r) e beta (Parâmetro de Forma). Criteria for Relative Error (r) and beta (Shape Paramenter).

Tabela XXIX/ Table XXIX
Critérios de qualidade de aplicação do método em função de erro relativo r. Quality control of method application light of relative error r.

Para a etapa de escolha da Tabela a ser utilizada, calcula-se, novamente, a amplitude dos números admensionalizados, ou seja, a diferença entre o valor máximo e o valor mínimo. Neste caso, o valor máximo será 1,00 (rank 7) e o valor mínimo será 0,80 (rank 10). A diferença entre os dois é 0,20. Deste modo, a tabela a ser escolhida é a que apresenta a faixa de 0 a 0,25. Em resumo, a tabela a ser escolhida para a determinação de lote mínimo em função do erro relativo deve ser a faixa de 0 a 0,25 e coeficiente de variação de 0,1 (Tabela XIV) para os três métodos de Weibull. Além disto, deve ser considerado o valor do parâmetro de forma beta. Verifica-se que os valores de lotes máximos (Nmax) existentes para o aparecimento do lote Mínimo (LM) para o método MLE, limita-se a r = 0,08 com um valor de Nmax de 25 e lote mínimo de 8 (existindo a possibilidade de interpolação para um erro relativo de 0,075). No caso de PP, temos o limite para r = 0,07; um valor de Nmax de 25, para um lote mínimo de 8 amostras (existindo a possibilidade de interpolação para um erro relativo de 0,065). No caso de HP, o método somente pode ser aplicado para um mínimo de lotes de 70 amostras.

ANÁLISE E DISCUSSÃO

Para efeito de verificação do desvio dos valores calculados de lotes mínimos para a distribuição normal e a distribuição de Weibull (três métodos de determinação de parâmetros) foram adotados o Desvio Médio Percentual (DMP) e o Desvio Percentual Médio (DPM), conforme equações G e H.

Utilizando os dois critérios acima elencados, ou seja, o maior ou menor Desvio Médio Percentual frente ao lote Mínimo e Nmax, verifica-se que se deve optar sempre pelos métodos que tiveram DMP menor pelo número de lotes mínimos, pois verifica-se uma melhor aderência ao método. Por um outro lado, não se deve esquecer de que Nmax estabelece o número mínimo de amostras onde se é determinado o valor de lote mínimo.

Por um outro lado, já identificado os melhores e piores métodos para a determinação de lotes mínimos em relação ao método normal, é mister que também se verifique a exequibilidade do método frente aos valores de beta (Parâmetro de Forma) e dos CVs calculados em relação ao erro relativo. Sendo assim foi admitido a seguinte divisão de valores de beta e erro absoluto (r).

As Tabelas XVIII a XXI apresentam a aderência, em outras palavras, a qualidade do método com o dimensionamento do erro relativo e beta. Para melhor entendimento desta aplicabilidade, foram criados quatro critérios de uso do método, que são apresentados O resultado é apresentado na Tabela XXIX e os critérios de qualidade na Tabela XXX e XXIV.

Tabela XXX/ Table XXII
Aplicação método de erro relativo função de Beta e CV. Quality control of method application for Beta and CV in light of relative error r).

CONCLUSÕES

Este artigo apresentou uma primeira tentativa de se identificar um novo método para determinação de lotes mínimos para distribuições de Weibull. Tendo-se como referência uma ferramenta até então somente dedicada para um padrão Gaussiano, em função do erro relativo apresentado por Cochran, que foi adaptada para fácil aplicação para a determinação de Lotes mínimos para um modelo de distribuições de Weibull, a partir de valores calculados para o parâmetro de forma e parâmetro de escala. Assim, apresenta-se um novo método para determinação de lotes mínimos para distribuições de Weibull, em função do erro relativo apresentado por Cochran. Verifica-se que a melhor aderência, em relação ao modelo normal, é o método de verossimilhança (Weibull), principalmente, para coeficientes de variação maiores (0,3 e 0,4). Por outro lado, para coeficientes de variação menores, onde é menor a dispersão, também se confirma que os métodos de probabilidade (PP) e método de risco (HP), por sua vez, tiveram um bom comportamento. Para os valores de erro relativo "muito baixos"e "baixos" (0,01 a 0,03), em diversas faixas de dispersão e para os 4 coeficientes de variação não foi verificada a possibilidade de identificar um lote mínimo. Isto pode limitar a aplicação do método, pois já se parte de um erro relativo obrigatório a ser assumido. Os valores de coeficiente de variação entre 0,1 a 0,4 apresentaram-se coerentes para o desenvolvimento do método, pois, para um coeficiente de variação de 0,5 ocorre uma dispersão ainda maior, o que tende a demonstrar um valor de beta menor e, por conseguinte, o método tenderia a não ser aplicável. Para dispersões altas, no caso de valores do parâmetro de forma abaixo de 4, a determinação de lotes mínimos, em função do erro relativo, ficou bastante prejudicada, conforme apontado na Tabela XXIII. Isto pode ser explicado pelos valores de beta menores de 3,6; onde as distribuições já começam a perder a condição de serem representadas pela curva normal. Ressalte-se que a relação entre m ou beta e o coeficiente de variação é inversamente proporcional, pois ambos podem ser entendidos como estimadores da homogeneidade do material, sendo que a literatura normalmente reporta o valor de beta para as cerâmicas, próximo de 10, podendo variar entre os extremos de 05 a 20(9)L. R. Berezowski, C. Moura Neto, F. C. L. Melo, Avaliação da Resistência Mecânica de Cerâmicas à Base de Carbeto de Silício, (2006), disponível em http://www.bibl.ita.br/viiiencita/Avaliacao%20da%20resistencia%20mecanica%20de%20ceramicas%20a%20base%20de%20carbeto%20de%20silicio.pdf, acesso em 23/08/2013.
http://www.bibl.ita.br/viiiencita/Avalia...
. Quanto maior é o valor do parâmetro de forma β maior é acurácia, ou seja, a dispersão tende a ser menor, facilitando para que a curva da distribuição de Weibull tenha a forma de pico. Para dispersões baixas, como no caso do parâmetro de forma maior do que 6, o método apresentou boa aplicabilidade, conseguindo, em grande parte a identificação de lotes mínimos em função do erro relativo. Contudo, para erros relativos altos (0,08 a 0,01) apresentaram lotes mínimos muito baixos. Deste modo, existindo uma clara referência entre os LMs calculados, bem como para número máximo de amostras necessarias para definição do tamanho do lote mínimo (Nmáx), onde os valores máximos de amostras no qual os valores de lote mínimo tendem a ser constantes, ou seja, tornam-se máximos. Por outro lado, verifica-se que este novo método possui algumas limitações, tais como os números aleatórios não fornecem distribuições gaussianas com o coeficientes de variação requerido, possivelmente amplificando diferenças existentes. O valor de θ é pouco considerado nas tabelas já que os valores encontrados foram bastante baixos, indicando pouca interferência no método já que o coeficiente de variação é independente do parâmetro de escala.

  • 1
    B. Dodson, "The Weibull Analysis Handbook", 2nd Ed., ASQ Quality Press (2006).
  • 2
    W. G. Cochran, The estimation of sample size, in: W. G. Cochran, "Sampling techniques", 3ª Ed., John Willey, New York, EUA (1977) p. 72-90.
  • 3
    M. A. Al-Fawzan, "Methods for Estimating the Parameters of the Weibull Distribution", King Abdul-Aziz City for Science and Technology (2000).
  • 4
    S. Kirtay, D. Dispinar, Effect of Ranking Selection on the Weibull Modulus Estimation, Gazi Univ. J. Sci. 25, 1 (2012) 175-187.
  • 5
    A. S. Yahaya, C. S. Yee, N. A. Ramli, F. Ahmad, Determination of Best Probability Plotting Position for Predicting Parameters of Weibull Distribution, Int. J. Appl. Sci. Tech. 2, 3 (2012) 106-111.
  • 6
    M. Haar, Random Decimal Fraction Generator, disponível em http://www.random.org/, acesso em 29/08/2012.
    » http://www.random.org/
  • 7
    D. C. F. Hespanhol, "Influência da dispersão na Avaliação de Lotes Mínimos para a Determinação de Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p.
  • 8
    V. Tamy, "Influência dos Estimadores de Rank e do Tamanho do Lote nos Fatores de Weibull", Monog. Grad. Eng. Mater., Campos dos Goitacazes, RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense (2009) 37p.
  • 9
    L. R. Berezowski, C. Moura Neto, F. C. L. Melo, Avaliação da Resistência Mecânica de Cerâmicas à Base de Carbeto de Silício, (2006), disponível em http://www.bibl.ita.br/viiiencita/Avaliacao%20da%20resistencia%20mecanica%20de%20ceramicas%20a%20base%20de%20carbeto%20de%20silicio.pdf, acesso em 23/08/2013.
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Datas de Publicação

  • Publicação nesta coleção
    Jan-Mar 2015

Histórico

  • Recebido
    23 Jul 2014
  • Revisado
    13 Dez 2014
  • Aceito
    13 Dez 2014
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