基于概率虛擬樣機(jī)的機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析

1、基于概率虛擬樣機(jī)的機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析邢晨光 機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析是指為滿足機(jī)械產(chǎn)品的可靠性而進(jìn)行的功能性設(shè)計(jì)。在我國，作為在現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法中較為重要的產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)還不被重視，可靠性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和可靠性指標(biāo)評價(jià)體系還很不完善，現(xiàn)階段使用的大多是企業(yè)根據(jù)自己產(chǎn)品在市場上的定位和國家有關(guān)規(guī)定，在確定產(chǎn)品可靠性目標(biāo)后形成的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前世界上已廣泛使用的如故障模式及影響分析、故障樹分析、可靠性預(yù)測、概率設(shè)計(jì)等先進(jìn)設(shè)計(jì)方法及手段在國內(nèi)的可靠性設(shè)計(jì)方面應(yīng)用還不充分。因此，利用數(shù)字化設(shè)計(jì)方法及手段，大力推進(jìn)基于概率虛擬樣機(jī)的機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析方法，提高設(shè)計(jì)可靠性與質(zhì)量就成為一項(xiàng)十分重要的工作。通

2、過對產(chǎn)品進(jìn)行功能、結(jié)構(gòu)分析，建立產(chǎn)品故障模型，并依據(jù)故障模型劃分故障類型及進(jìn)行故障機(jī)理分析，從而利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對故障模式進(jìn)行仿真，驗(yàn)證機(jī)械零部件故障模式，在此基礎(chǔ)上確定可靠性設(shè)計(jì)重點(diǎn)，改進(jìn)零部件設(shè)計(jì)參數(shù)，完善可靠性設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品使用壽命。1 機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析方法分析系統(tǒng)研制階段的主要任務(wù)，并結(jié)合工程實(shí)際中開展可靠性設(shè)計(jì)分析工作的經(jīng)驗(yàn)可知，各種可靠性設(shè)計(jì)分析工作主要集中在技術(shù)指標(biāo)論證階段、方案論證階段和工程研制階段，包括可靠性要求制定，可靠性建模、預(yù)計(jì)分配，故障模式影響及危害性分析和故障樹分析和可靠性仿真分析等?？煽啃栽O(shè)計(jì)分析工作從宏觀上可以分為定性設(shè)計(jì)分析和定量設(shè)計(jì)分析，可靠性定性分析

3、方法相對應(yīng)用廣泛，并且得到了工程驗(yàn)證，而定量設(shè)計(jì)分析的方法則是機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)分析中的難點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，特別是在數(shù)字化環(huán)境中如何利用CAD/CAE工具進(jìn)行定量的機(jī)械可靠性參數(shù)設(shè)計(jì)也是今后重要的發(fā)展方向。1.1 可靠性定性設(shè)計(jì)分析方法復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分析首先要將系統(tǒng)按照功能或結(jié)構(gòu)進(jìn)行層次劃分，然后根據(jù)任務(wù)剖面建立功能框圖及零部件的功能框圖，總結(jié)搜集故障或零件失效模式，然后再利用故障模式影響及危害性分析、故障樹分析等分析工具和可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則符合性查詢工具進(jìn)行可靠性定性分析。故障模式影響及危害性分析是分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對系統(tǒng)造成的所有可能影響，并按每一個(gè)故障模式的嚴(yán)重程度及其發(fā)生

4、概率予以分類的一種歸納分析方法；故障樹分析可以知道哪些事件的組合可以導(dǎo)致危及系統(tǒng)安全的故障，并計(jì)算他們的發(fā)生概率，然后通過設(shè)計(jì)改進(jìn)和有效的故障監(jiān)測、維修等措施，設(shè)法減小他們的發(fā)生概率。故障樹分析方法還可以讓設(shè)計(jì)分析者對系統(tǒng)有更深入的認(rèn)識，有關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、故障及維修保障的知識系統(tǒng)化，因此在設(shè)計(jì)、制造和操作過程中的可靠性改進(jìn)更富有成效。1.2 可靠性定量設(shè)計(jì)分析方法機(jī)械產(chǎn)品可靠性定量設(shè)計(jì)分析可以分為兩部分：其一是失效模式的確定；其二是計(jì)算機(jī)械產(chǎn)品發(fā)生失效的概率，失效概率的計(jì)算是可靠性分析的目的，而失效模式的確定以及每個(gè)失效模式極限狀態(tài)方程的建立則是可靠性定量分析的基礎(chǔ)。只有首先給出狀態(tài)變量與各

5、個(gè)隨機(jī)變量之間的函數(shù)關(guān)系才能應(yīng)用解析的或者數(shù)值方法計(jì)算失效概率，此處，所有可靠性分析都是以荷載、材料常數(shù)、幾何參數(shù)等基本變量的隨機(jī)型為基礎(chǔ)的，也可稱之為隨機(jī)可靠性分析。1.3 基于概率虛擬樣機(jī)的機(jī)械產(chǎn)品可靠性定量設(shè)計(jì)分析機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析必然是要在需求推動下向數(shù)字化設(shè)計(jì)分析方向發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)就是將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)領(lǐng)域，建立基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化產(chǎn)品模型，并在產(chǎn)品開發(fā)的全程使用，達(dá)到減少或者避免建立實(shí)物模型的一種產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用變得越來越廣泛而深刻，由原先的單領(lǐng)域、局部應(yīng)用逐步擴(kuò)展到多領(lǐng)域、全壽命周期的系統(tǒng)應(yīng)用。虛擬樣機(jī)技術(shù)正是這一

6、發(fā)展趨勢的典型代表，它以并行工程為指導(dǎo)思想，建模和仿真為核心，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)與分析的緊密結(jié)合，是一種基于仿真模型的數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。對于復(fù)雜的工程對象，僅靠一兩種軟件是不能勝任的，需要構(gòu)建由多種軟件組合而成的復(fù)合型仿真環(huán)境，以便對研究對象進(jìn)行多目標(biāo)、多層面的性能仿真，虛擬樣機(jī)最終目標(biāo)就是利用仿真工具的數(shù)據(jù)接口及二次開發(fā)技術(shù)，依據(jù)幾何特征創(chuàng)建數(shù)值仿真模型，實(shí)現(xiàn)分析數(shù)據(jù)的共享及動態(tài)交換，盡可能做到一次建模多次調(diào)用。隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，已逐漸成為失效模擬仿真技術(shù)中的主要工具，但是其在可靠性分析仿真中的應(yīng)用仍然處在較低的水平，只有綜合CAD/CAE軟件工具協(xié)同仿真和可靠性定量分析方法調(diào)用，

7、采用概率虛擬樣機(jī)的技術(shù)，才是實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品可靠性定量設(shè)計(jì)分析的必由之路。2 基于概率虛擬樣機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)分析流程利用數(shù)字化手段，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品故障模式的概率虛擬樣機(jī)技術(shù)分析，對機(jī)械產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)可靠性設(shè)計(jì)分析以及基于可靠度的零部件參數(shù)設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)確定的故障模式，對主要故障模式進(jìn)行故障仿真分析，然后利用CAD/CAE軟件的協(xié)同，在仿真分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行概率設(shè)計(jì)，即對工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化考慮，將確定性分析的參數(shù)按照隨機(jī)變量進(jìn)行選取，最后通過不斷迭代，進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，找到影響零部件可靠性的關(guān)鍵參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵件和重要件的可靠性設(shè)計(jì)要求。2.1 機(jī)械產(chǎn)品故障仿真技術(shù)機(jī)械產(chǎn)品失效分析重點(diǎn)工作之一的失效

8、預(yù)測預(yù)防工作主要就是對故障原因進(jìn)行模擬仿真，對故障、失效現(xiàn)象進(jìn)行直觀分析，降低試驗(yàn)成本，為修改相關(guān)重要參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行確定性分析，為可靠性設(shè)計(jì)分析奠定基礎(chǔ)。圖1清楚的描述了機(jī)械產(chǎn)品一體化故障仿真設(shè)計(jì)分析方案，主要就是在載荷數(shù)據(jù)、力學(xué)特性以及材料性能等用戶需求信息基礎(chǔ)上，一方面通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)獲得產(chǎn)品故障模式信息，另一方面通過計(jì)算機(jī)輔助模擬方式，得到虛擬產(chǎn)品故障模式，然后將二者進(jìn)行關(guān)聯(lián)與驗(yàn)證，通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，重新進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，對于變形、斷裂、磨損以及疲勞等失效模式進(jìn)行模擬仿真驗(yàn)證。圖1 機(jī)械產(chǎn)品一體化故障仿真方案2.2 CAD/CAE軟件協(xié)同技術(shù)長期以來結(jié)構(gòu)可靠性仿真只能應(yīng)用于能推

9、導(dǎo)顯示功能函數(shù)的簡單結(jié)構(gòu)，如桿、板、梁等，稍微復(fù)雜的結(jié)構(gòu)就很難推導(dǎo)出顯示功能函數(shù)，只能采用隱式的功能函數(shù)，這就需要借助于CAD/CAE軟件的分析程序。同時(shí)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可靠性仿真分析必須以獨(dú)立的可靠性軟件作為支撐，配合使用結(jié)構(gòu)分析程序（主要是有限元分析程序）和高效準(zhǔn)確的可靠度算法，才可以得到精確的可靠性分析結(jié)果。上述需求的直接要求就是要在基于概率虛擬樣機(jī)的機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析平臺上，通過批處理命令直接調(diào)用相應(yīng)CAD/CAE軟件輸入文件，進(jìn)行結(jié)果計(jì)算，然后將多次調(diào)用不同輸入變量的結(jié)果輸出文件記錄到平臺中，從而作為概率設(shè)計(jì)的信息源。圖2 CAD/CAE軟件協(xié)同仿真分析流程圖2圖示化的表示分析仿真平

10、臺協(xié)同調(diào)用CAD/CAE軟件仿真分析的整個(gè)流程。結(jié)構(gòu)彈性問題以及非線性問題可以建立在分析平臺與Nastran或分析平臺與Marc協(xié)同仿真的基礎(chǔ)上，解決機(jī)械產(chǎn)品斷裂、變形失效的問題；利用分析平臺與Marc協(xié)同仿真也可解決機(jī)械產(chǎn)品磨損問題；整個(gè)虛擬疲勞耐久性集成化仿真分析過程中，可以從分析應(yīng)力應(yīng)變的結(jié)果以及載荷變化歷程兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，利用分析平臺與Nastran協(xié)同來描述應(yīng)力應(yīng)變分析情況，利用分析平臺與Adams協(xié)同仿真來表征載荷變化歷程問題，從而形成機(jī)械產(chǎn)品疲勞問題的可靠性分析仿真。2.3 基于確定性分析的可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析與性能設(shè)計(jì)分析是緊密聯(lián)系、不可分割的。以往傳統(tǒng)的基于統(tǒng)計(jì)

11、概率的機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)分析需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品參數(shù)的采集和分析，還必須結(jié)合經(jīng)驗(yàn)性分析來開展，性能和可靠性存在脫節(jié)的問題，而且設(shè)計(jì)分析的層面往往局限在單個(gè)部件、單學(xué)科領(lǐng)域，同產(chǎn)品整體性能綜合權(quán)衡考慮結(jié)合不緊密。隨著相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，使機(jī)械產(chǎn)品的性能與可靠性一體化設(shè)計(jì)、分析仿真和以可靠性為目標(biāo)的參數(shù)設(shè)計(jì)成為可能。圖3是基于確定性分析的可靠性仿真分析平臺，即把幾何參數(shù)、邊界條件以及載荷、材料屬性等參數(shù)進(jìn)行變量考慮，在典型的確定性分析結(jié)果，利用經(jīng)典的可靠度計(jì)算模型應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型，協(xié)同CAD/CAE軟件進(jìn)行可靠度計(jì)算。圖3 基于確定性分析的可靠性仿真分析平臺基于確定性分析的可靠性設(shè)計(jì)基本步驟

12、如下：用戶輸入極限狀態(tài)方程、隨機(jī)變量及相關(guān)統(tǒng)計(jì)特性、建立有限元映射關(guān)系；分析過程需要用戶選擇可靠度計(jì)算方法、設(shè)置響應(yīng)變量、設(shè)置變量相關(guān)性、自動計(jì)算；結(jié)果輸出可靠度計(jì)算結(jié)果、概率靈敏度計(jì)算結(jié)果以及重要度水平計(jì)算結(jié)果。整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析仿真過程中，影響較大的有以下幾個(gè)因素：模型的準(zhǔn)確程度，即有限元、動力學(xué)仿真分析的精度；隨機(jī)變量的輸入情況，即隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)特性；可靠度算法的適用性。其中第一方面是取決于上述的故障模擬確定性分析結(jié)果，而關(guān)于隨機(jī)變量的選取和可靠度計(jì)算方法的選擇則應(yīng)依照下述方法。1）隨機(jī)變量分布類型選擇機(jī)械產(chǎn)品可靠性定量分析理論根據(jù)產(chǎn)品基本變量存在的隨機(jī)分散特性，應(yīng)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)

13、的方法，分析計(jì)算機(jī)械產(chǎn)品在使用期內(nèi)滿足規(guī)定功能的概率。一般情況下，影響產(chǎn)品可靠性主要因素有所承受的外載荷、結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸，材料的物理特性、工藝方法和使用環(huán)境等。如各種疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命一般都服從威布爾分布，而各類測量誤差、制造尺寸偏差、硬度、材料強(qiáng)度極限、彈性模量、系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、斷裂韌性、金屬磨損、作用載荷、空氣濕度、膨脹系數(shù)、間隙誤差則一般服從正態(tài)分布，再如各類載荷則又是典型的極值分布類型，合金材料強(qiáng)度極限、材料的疲勞壽命、降雨強(qiáng)度、工程完成時(shí)間、彈簧疲勞強(qiáng)度、腐蝕量、腐蝕系數(shù)、容器內(nèi)壓力、金屬切削道具的耐久度、系統(tǒng)無故障工作時(shí)間、齒輪彎曲強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度都服從對數(shù)正態(tài)分布。2

14、）隨機(jī)變量統(tǒng)計(jì)特性參數(shù)選擇一般來講，各類型統(tǒng)計(jì)變量的統(tǒng)計(jì)特性參數(shù)選擇都應(yīng)來源于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但也存在一些共性：泊松比的離散程度較小，其變異系數(shù)僅為0.010.03左右；機(jī)械零部件壽命的變異系數(shù)均是小于l的數(shù)值，使用指數(shù)分布描述機(jī)械零部件的壽命會帶來較大的誤差；對于產(chǎn)品整機(jī)壽命，在第一次大修前的變異系數(shù)較小，而經(jīng)過大修后的整機(jī)，其壽命的變異系數(shù)加大；原材料的機(jī)械強(qiáng)度是機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，一般原材料機(jī)械強(qiáng)度的變異系數(shù)取值都比較小。3）可靠度算法機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性仿真算法經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，大致分為兩大類：解析方法和抽樣方法。解析方法通過尋找和優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)計(jì)算功能函數(shù)的可靠指標(biāo)，進(jìn)一步計(jì)算結(jié)構(gòu)的失

15、效概率，解析方法主要包括：一次二階矩方法、二次二階矩法、響應(yīng)面法等；抽樣方法通過隨機(jī)變量的抽樣計(jì)算結(jié)構(gòu)的失效概率，抽樣方法主要包括：直接蒙特卡洛法、半徑重要度抽樣、自適應(yīng)重要度抽樣等。在確定功能函數(shù)的基礎(chǔ)上，多次調(diào)整不同的變量分布類型、變量的統(tǒng)計(jì)特性，選擇不同的可靠度計(jì)算方法，可以使零件的可靠度得到提高，從而提高整個(gè)組件級、系統(tǒng)級的可靠度。對于同一系統(tǒng)進(jìn)行不同情況的可靠度分析，可以得到系統(tǒng)可靠性的提升，滿足設(shè)計(jì)的要求。3.基于可靠性的機(jī)械產(chǎn)品參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)可靠度的計(jì)算結(jié)果和概率靈敏度分析以及重要度水平，工程設(shè)計(jì)人員能更好地分配各參數(shù)的誤差范圍，從加工工藝、制造、選材等方面尋求提高可靠性的有效途徑

16、，達(dá)到可靠性定量設(shè)計(jì)和優(yōu)化的目的，也可以實(shí)現(xiàn)對于機(jī)械產(chǎn)品的參數(shù)進(jìn)行基于可靠性的設(shè)計(jì)。參數(shù)的重要度因子為參數(shù)變換后，空間中設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)的方向余弦，因子表征了變量對于失效概率貢獻(xiàn)的相對重要度。不同的隨機(jī)變量對于失效概率的重要性往往是不同的，次要的隨機(jī)變量完全可以用確定值代替而不會對失效概率的結(jié)果產(chǎn)生多大影響，從而減少可靠度分析工作的計(jì)算量；重要的隨機(jī)變量則是可靠度分析工作的重點(diǎn)和關(guān)鍵。這些隨機(jī)變量分布類型的選取和分布參數(shù)的確定，直接決定了失效概率計(jì)算結(jié)果的精確性，核實(shí)、校改這些隨機(jī)變量的信息可以進(jìn)一步提高計(jì)算精度。在實(shí)際工程中對這些隨機(jī)因素給予重視并采取相應(yīng)措施，可以把握關(guān)鍵，大幅提高機(jī)械系統(tǒng)的可靠

17、性。參數(shù)靈敏度反映對于輸入?yún)?shù)變化對于失效概率的影響程度，靈敏度分析就是用來確定隨機(jī)變量及其分布參數(shù)對于計(jì)算失效概率的重要性。設(shè)計(jì)人員根據(jù)參數(shù)的重要度來選擇重要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)先設(shè)計(jì)選擇，并且根據(jù)該參數(shù)的靈敏度分析情況選擇對于參數(shù)的均值以及變異系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如果系統(tǒng)可靠性指標(biāo)確定，則可以在要求的可靠性指標(biāo)基礎(chǔ)上調(diào)整各個(gè)參數(shù)的均值及變異系數(shù)，平衡各個(gè)參數(shù)之間的重要程度，考慮實(shí)際中的效用和成本因素，達(dá)到基于可靠性指標(biāo)的參數(shù)設(shè)計(jì)目的，滿足最佳的效費(fèi)比。4.結(jié)論本文在回顧機(jī)械產(chǎn)品可靠性定性分析和定量設(shè)計(jì)分析方法之后，探討了基于概率虛擬樣機(jī)的機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析方法，明確了在虛擬樣機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)分析方法

18、流程，并提出了基于可靠性的產(chǎn)品參數(shù)設(shè)計(jì)的方法，為機(jī)械零件的可靠性概率設(shè)計(jì)提供了系統(tǒng)的解決方案。n 采用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行零件失效模式的驗(yàn)證模擬，使零件的故障得以重現(xiàn)；n 利用基于概率虛擬樣機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)分析平臺協(xié)同調(diào)用CAD/CAE軟件進(jìn)行可靠性分析計(jì)算，根據(jù)不同的功能函數(shù)選擇不同的可靠度計(jì)算方法，協(xié)調(diào)各方法之間精度與效率的關(guān)系；n 對零件進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)分析，并且對零件的具體參數(shù)實(shí)施基于可靠性的參數(shù)設(shè)計(jì)，為可靠性設(shè)計(jì)提供了新的方向。參考文獻(xiàn)1 Xing Chen-guang, Zhang Jian-guo, Connecting Pins Reliability Analysis with Contact Problem in the Cut System J. Engineering Structural Integrity：Research, Development and Application Vol1:967970, China Machine Press, 2007.10;2 Ben H.Thacker, Applications of Reliability Assessment. Engineering Design Reliability hand