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1、基于概率率虚拟样样机的机机械产品品可靠性性设计分分析邢晨光 机械产品品可靠性性设计分分析是指指为满足足机械产产品的可可靠性而而进行的的功能性性设计。在我国国，作为为在现代代设计理理论与方方法中较较为重要要的产品品可靠性性设计还还不被重重视，可可靠性技技术标准准和可靠靠性指标标评价体体系还很很不完善善，现阶阶段使用用的大多多是企业业根据自自己产品品在市场场上的定定位和国国家有关关规定，在在确定产产品可靠靠性目标标后形成成的企业业标准。目目前世界界上已广广泛使用用的如故故障模式式及影响响分析、故故障树分分析、可可靠性预预测、概概率设计计等先进进设计方方法及手手段在国国内的可可靠性设设计方面面应用还
2、还不充分分。因此此，利用用数字化化设计方方法及手手段，大大力推进进基于概概率虚拟拟样机的的机械产产品可靠靠性设计计分析方方法，提提高设计计可靠性性与质量量就成为为一项十十分重要要的工作作。通过对产产品进行行功能、结结构分析析，建立立产品故故障模型型，并依依据故障障模型划划分故障障类型及及进行故故障机理理分析，从从而利用用虚拟样样机技术术对故障障模式进进行仿真真，验证证机械零零部件故故障模式式，在此基基础上确确定可靠靠性设计计重点，改改进零部部件设计计参数，完完善可靠靠性设计计，提高高产品使用用寿命。1机械产产品可靠靠性设计计分析方方法分析系统统研制阶阶段的主主要任务务，并结结合工程程实际中中开
3、展可可靠性设设计分析析工作的的经验可可知，各种可可靠性设设计分析析工作主主要集中中在技术术指标论论证阶段段、方案案论证阶阶段和工工程研制制阶段，包包括可靠靠性要求求制定，可可靠性建建模、预预计分配配，故障障模式影影响及危危害性分分析和故故障树分分析和可可靠性仿仿真分析析等。可靠性性设计分分析工作作从宏观观上可以以分为定定性设计计分析和和定量设设计分析析，可靠靠性定性性分析方方法相对对应用广广泛，并并且得到到了工程程验证，而而定量设设计分析析的方法法则是机机械可靠靠性设计计分析中中的难点点和薄弱弱环节，特特别是在在数字化化环境中中如何利利用CAAD/CCAE工工具进行行定量的的机械可可靠性参参数
4、设计计也是今今后重要要的发展展方向。1.1可可靠性定定性设计计分析方方法复杂系统统可靠性性分析首首先要将将系统按按照功能能或结构构进行层层次划分分，然后后根据任务务剖面建建立功能能框图及及零部件件的功能能框图，总总结搜集集故障或或零件失失效模式式，然后后再利用用故障模模式影响响及危害害性分析析、故障树树分析等等分析工工具和可可靠性设设计准则则符合性性查询工工具进行行可靠性性定性分分析。故故障模式式影响及及危害性性分析是是分析系系统中每每一产品品所有可可能产生生的故障障模式及及其对系系统造成成的所有有可能影影响，并并按每一一个故障障模式的的严重程程度及其其发生概概率予以以分类的的一种归归纳分析析
5、方法；故障树树分析可可以知道道哪些事事件的组组合可以以导致危危及系统统安全的的故障，并并计算他他们的发发生概率率，然后后通过设设计改进进和有效效的故障障监测、维维修等措措施，设设法减小小他们的的发生概概率。故故障树分分析方法法还可以以让设计计分析者者对系统统有更深深入的认认识，有有关系统统结构、功功能、故故障及维维修保障障的知识识系统化化，因此此在设计计、制造造和操作作过程中中的可靠靠性改进进更富有有成效。1.2可可靠性定定量设计计分析方方法机械产品品可靠性性定量设设计分析析可以分分为两部部分：其其一是失失效模式式的确定定；其二二是计算算机械产产品发生生失效的的概率，失效概概率的计计算是可可靠
6、性分分析的目目的，而而失效模模式的确确定以及及每个失失效模式式极限状状态方程程的建立立则是可可靠性定定量分析析的基础础。只有有首先给给出状态态变量与与各个随随机变量量之间的的函数关关系才能能应用解解析的或或者数值值方法计计算失效效概率，此处，所所有可靠靠性分析析都是以以荷载、材材料常数数、几何何参数等等基本变变量的随随机型为为基础的的，也可可称之为为随机可可靠性分分析。1.3基基于概率率虚拟样样机的机机械产品品可靠性性定量设设计分析析机械产品品可靠性性设计分分析必然然是要在需求求推动下向向数字化化设计分分析方向向发展，数数字化设设计技术术就是将计计算机技技术应用用于产品品的设计计开发领领域，建
7、建立基于于计算机机的数字字化产品品模型，并并在产品品开发的的全程使使用，达达到减少少或者避避免建立立实物模模型的一一种产品品开发技技术。随随着技术术的不断断进步，仿仿真在产产品设计计过程中中的应用用变得越越来越广广泛而深深刻，由由原先的的单领域域、局部应应用逐步步扩展到到多领域域、全寿寿命周期期的系统统应用。虚拟样机机技术正正是这一一发展趋趋势的典典型代表表，它以以并行工工程为指指导思想想，建模模和仿真真为核心心，强调调设计与与分析的的紧密结结合，是一种种基于仿仿真模型型的数字字化产品品设计方方法。对对于复杂杂的工程程对象，仅仅靠一两两种软件件是不能能胜任的的，需要要构建由由多种软软件组合合而
8、成的的复合型型仿真环环境，以以便对研研究对象象进行多多目标、多多层面的的性能仿仿真，虚拟样样机最终终目标就就是利用用仿真工工具的数数据接口口及二次次开发技技术，依依据几何何特征创创建数值值仿真模模型，实实现分析析数据的的共享及及动态交交换，尽尽可能做做到一次次建模多多次调用用。随着着虚拟样样机技术术在工程程实践中中的应用用，已逐逐渐成为为失效模模拟仿真真技术中中的主要要工具，但但是其在在可靠性性分析仿仿真中的的应用仍仍然处在在较低的的水平，只只有综合合CADD/CAAE软件件工具协协同仿真真和可靠靠性定量量分析方方法调用用，采用用概率虚虚拟样机机的技术术，才是是实现机机械产品品可靠性性定量设设
9、计分析析的必由由之路。2基于概概率虚拟拟样机的的可靠性性设计分分析流程程利用数字字化手段段，实现现机械产产品故障障模式的的概率虚虚拟样机机技术分分析，对对机械产产品实现现可靠性性设计分分析以及及基于可可靠度的的零部件件参数设设计。首首先，根根据确定定的故障障模式，对对主要故故障模式式进行故故障仿真真分析，然然后利用用CADD/CAAE软件件的协同同，在仿仿真分析析的基础础上进行行概率设设计，即对工工程设计计中的关关键参数数进行参参数化考考虑，将将确定性性分析的的参数按按照随机机变量进进行选取取，最后后通过不不断迭代代，进行行设计改改进，找找到影响响零部件件可靠性性的关键键参数，从从而实现现关键
10、件件和重要要件的可靠性性设计要要求。2.1机机械产品品故障仿真真技术机械产品品失效分分析重点点工作之之一的失效预预测预防防工作主主要就是是对故障障原因进进行模拟拟仿真，对对故障、失失效现象象进行直直观分析析，降低低试验成成本，为为修改相相关重要要参数设设计进行行确定性性分析，为为可靠性性设计分分析奠定定基础。图1清楚的描述了机械产品一体化故障仿真设计分析方案，主要就是在载荷数据、力学特性以及材料性能等用户需求信息基础上，一方面通过真实实验获得产品故障模式信息，另一方面通过计算机辅助模拟方式，得到虚拟产品故障模式，然后将二者进行关联与验证，通过真实实验数据调整虚拟样机设计参数，重新进行设计优化，
11、对于变形、断裂、磨损以及疲劳等失效模式进行模拟仿真验证。图1机械械产品一一体化故故障仿真真方案2.2CCAD/CAEE软件协同同技术长期以来来结构可可靠性仿仿真只能能应用于于能推导导显示功功能函数数的简单单结构，如如杆、板板、梁等等，稍微微复杂的的结构就就很难推推导出显显示功能能函数，只只能采用用隐式的的功能函函数，这这就需要要借助于于CADD/CAAE软件件的分析程程序。同同时，复复杂结构构的可靠靠性仿真真分析必必须以独独立的可可靠性软软件作为为支撑，配配合使用用结构分分析程序序（主要要是有限限元分析析程序）和和高效准准确的可可靠度算算法，才才可以得得到精确确的可靠靠性分析析结果。上述需求的
12、直接要求就是要在基于概率虚拟样机的机械产品可靠性设计分析平台上，通过批处理命令直接调用相应CAD/CAE软件输入文件，进行结果计算，然后将多次调用不同输入变量的结果输出文件记录到平台中，从而作为概率设计的信息源。图2CAAD/CCAE软软件协同同仿真分分析流程程图2图示示化的表表示分析析仿真平平台协同同调用CCAD/CAEE软件仿仿真分析析的整个个流程。结结构弹性性问题以以及非线线性问题题可以建建立在分分析平台台与Naastrran或或分析平平台与MMarcc协同仿仿真的基基础上，解决机机械产品品断裂、变变形失效效的问题题；利用用分析平平台与MMarcc协同仿仿真也可可解决机机械产品品磨损问问
13、题；整整个虚拟拟疲劳耐耐久性集集成化仿仿真分析析过程中中，可以从从分析应应力应变变的结果果以及载载荷变化化历程两两个方面面进行考考虑，利利用分析析平台与与Nasstraan协同同来描述述应力应应变分析析情况，利利用分析析平台与与Adaams协协同仿真真来表征征载荷变变化历程程问题，从从而形成成机械产产品疲劳劳问题的的可靠性性分析仿仿真。2.3基基于确定定性分析析的可靠靠性设计计机械产品品可靠性性设计分分析与性性能设计计分析是是紧密联联系、不不可分割割的。以以往传统统的基于于统计概概率的机机械可靠靠性设计计分析需需要进行行大量的的试验数数据和产产品参数数的采集集和分析析，还必必须结合合经验性性分
14、析来来开展，性性能和可可靠性存存在脱节节的问题题，而且设设计分析析的层面面往往局局限在单单个部件件、单学学科领域域，同产产品整体体性能综综合权衡衡考虑结结合不紧紧密。随随着相关关学科和和技术的的发展，使使机械产产品的性性能与可可靠性一一体化设设计、分分析仿真真和以可可靠性为为目标的的参数设设计成为为可能。图3是基于确定性分析的可靠性仿真分析平台，即把几何参数、边界条件以及载荷、材料属性等参数进行变量考虑，在典型的确定性分析结果，利用经典的可靠度计算模型应力强度干涉模型，协同CAD/CAE软件进行可靠度计算。图3基于于确定性性分析的的可靠性性仿真分分析平台台基于确定定性分析析的可靠靠性设计计基本
15、步步骤如下下：用户户输入极极限状态态方程、随随机变量量及相关关统计特特性、建建立有限限元映射射关系；分析过过程需要要用户选选择可靠靠度计算算方法、设设置响应应变量、设设置变量量相关性性、自动动计算；结果输输出可靠靠度计算算结果、概概率灵敏敏度计算算结果以以及重要要度水平平计算结结果。整个系统统进行可可靠性分分析仿真真过程中中，影响响较大的的有以下下几个因因素：模模型的准准确程度度，即有有限元、动动力学仿仿真分析析的精度度；随机机变量的的输入情情况，即即随机变变量的统统计特性性；可靠靠度算法法的适用用性。其其中第一一方面是是取决于于上述的的故障模模拟确定定性分析析结果，而而关于随随机变量量的选取
16、取和可靠靠度计算算方法的的选择则则应依照照下述方方法。1）随机机变量分分布类型型选择机械产品品可靠性性定量分分析理论论根据产产品基本本变量存存在的随随机分散散特性，应应用概率率论和数数理统计计的方法法，分析析计算机机械产品品在使用用期内满满足规定定功能的的概率。一一般情况况下，影影响产品品可靠性性主要因因素有所所承受的的外载荷荷、结构构的几何何形状和和尺寸，材材料的物物理特性性、工艺艺方法和和使用环环境等。如各种疲劳强度、疲劳寿命一般都服从威布尔分布，而各类测量误差、制造尺寸偏差、硬度、材料强度极限、弹性模量、系统误差、随机误差、断裂韧性、金属磨损、作用载荷、空气湿度、膨胀系数、间隙误差则一般
17、服从正态分布，再如各类载荷则又是典型的极值分布类型，合金材料强度极限、材料的疲劳寿命、降雨强度、工程完成时间、弹簧疲劳强度、腐蚀量、腐蚀系数、容器内压力、金属切削道具的耐久度、系统无故障工作时间、齿轮弯曲强度和接触疲劳强度都服从对数正态分布。2）随机机变量统统计特性性参数选选择一般来讲讲，各类类型统计计变量的的统计特特性参数数选择都都应来源源于试验验数据，但但也存在在一些共共性：泊泊松比的的离散程程度较小小，其变变异系数数仅为00.0110.03左左右；机机械零部部件寿命命的变异异系数均均是小于于l的数数值，使使用指数数分布描描述机械械零部件件的寿命命会带来来较大的的误差；对于产产品整机机寿命
18、，在在第一次次大修前前的变异异系数较较小，而而经过大大修后的的整机，其寿命命的变异异系数加加大；原原材料的的机械强强度是机机械设计计的基础础，一般般原材料料机械强强度的变变异系数数取值都都比较小小。3）可靠靠度算法法机械结构构的可靠靠性仿真真算法经经过几十十年的发发展已经经比较成成熟，大大致分为为两大类类：解析析方法和和抽样方方法。解解析方法法通过寻寻找和优优化设计计验算点点计算功功能函数数的可靠靠指标，进进一步计计算结构构的失效效概率，解解析方法法主要包包括：一一次二阶阶矩方法法、二次次二阶矩矩法、响响应面法法等；抽样方方法通过过随机变变量的抽抽样计算算结构的的失效概概率，抽抽样方法法主要包
19、包括：直直接蒙特特卡洛法法、半径径重要度度抽样、自自适应重重要度抽抽样等。在确定功功能函数数的基础础上，多多次调整整不同的的变量分分布类型型、变量量的统计计特性，选选择不同同的可靠靠度计算算方法，可可以使零零件的可可靠度得得到提高高，从而而提高整整个组件件级、系系统级的的可靠度度。对于于同一系系统进行行不同情情况的可可靠度分分析，可可以得到到系统可可靠性的的提升，满满足设计计的要求求。3.基于于可靠性性的机械械产品参参数设计计根据可靠靠度的计计算结果果和概率率灵敏度度分析以以及重要要度水平平，工程程设计人人员能更更好地分分配各参参数的误误差范围围，从加加工工艺艺、制造造、选材材等方面面寻求提提
20、高可靠靠性的有有效途径径，达到到可靠性性定量设设计和优优化的目目的，也也可以实实现对于于机械产产品的参参数进行行基于可可靠性的的设计。参数的重重要度因因子为参参数变换换后，空空间中设设计验算算点的方方向余弦弦，因子子表征了了变量对对于失效效概率贡贡献的相相对重要要度。不不同的随随机变量量对于失失效概率率的重要要性往往往是不同同的，次要的的随机变变量完全全可以用用确定值值代替而而不会对对失效概概率的结结果产生生多大影影响，从从而减少少可靠度度分析工工作的计计算量；重要的的随机变变量则是是可靠度度分析工工作的重重点和关关键。这这些随机机变量分分布类型型的选取取和分布布参数的的确定，直直接决定定了失
21、效效概率计计算结果果的精确确性，核核实、校校改这些些随机变变量的信信息可以以进一步步提高计计算精度度。在实实际工程程中对这这些随机机因素给给予重视视并采取取相应措措施，可可以把握握关键，大大幅提高高机械系系统的可可靠性。参数灵敏敏度反映映对于输输入参数数变化对对于失效效概率的的影响程程度，灵灵敏度分分析就是是用来确确定随机机变量及及其分布布参数对对于计算算失效概概率的重重要性。设计人员员根据参参数的重重要度来来选择重重要参数数进行优优先设计计选择，并并且根据据该参数数的灵敏敏度分析析情况选选择对于于参数的的均值以以及变异异系数进进行设计计。如果果系统可可靠性指指标确定定，则可可以在要要求的可可
22、靠性指指标基础础上调整整各个参参数的均均值及变变异系数数，平衡衡各个参参数之间间的重要要程度，考考虑实际际中的效效用和成成本因素素，达到到基于可可靠性指指标的参参数设计计目的，满满足最佳佳的效费费比。4.结论论本文在回回顾机械械产品可可靠性定定性分析析和定量量设计分分析方法法之后，探讨了基于概率虚拟样机的机械产品可靠性设计分析方法，明确了在虚拟样机技术基础上的设计分析方法流程，并提出了基于可靠性的产品参数设计的方法，为机械零件的可靠性概率设计提供了系统的解决方案。n 采用虚拟拟样机技技术进行行零件失失效模式式的验证证模拟，使使零件的的故障得以以重现；n 利用基于于概率虚虚拟样机机的可靠靠性设计
23、计分析平平台协同同调用CCAD/CAEE软件进进行可靠靠性分析析计算，根根据不同同的功能能函数选选择不同同的可靠靠度计算算方法，协协调各方方法之间间精度与与效率的的关系；n 对零件进进行可靠靠性设计计分析，并并且对零零件的具具体参数数实施基基于可靠靠性的参参数设计计，为可靠靠性设计计提供了了新的方方向。参考文献献1 Xingg Chhen-guaang, Zhhangg Jiian-guoo, CConnnecttingg Piins Relliabbiliity Anaalyssis witth CConttactt Prrobllem in thee Cuut SSysttem J. EE
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