產(chǎn)品的一體化方式，已經(jīng)在產(chǎn)品制造領(lǐng)域被推廣應(yīng)用。隨著電腦輔助分析手段的不斷完善，產(chǎn)品功能的設(shè)計、仿真形式的分析手段，以及可靠性分析的相關(guān)技術(shù)，都有了不同程度的發(fā)展。近些年來，數(shù)字化的樣機(jī)模擬方式不斷更新，這推動了產(chǎn)品功能開發(fā)的一體化進(jìn)程，關(guān)鍵領(lǐng)域的控制性技術(shù)手段也有了一定突破。在機(jī)械設(shè)施可靠性的判斷與設(shè)計中，需要明確的重要問題之一，就是將可靠性的判斷納入到產(chǎn)品性能的設(shè)置和模擬過程中。復(fù)雜機(jī)械可靠性的提升，以及設(shè)計流程中不同學(xué)科的協(xié)調(diào)配合，也是優(yōu)化整個設(shè)計分析模式的重要環(huán)節(jié)。隨著學(xué)科綜合方式、數(shù)字化的樣機(jī)方式，以及工程可靠性方式的逐步推進(jìn)，機(jī)械可靠性的分析設(shè)計也在朝著學(xué)科整合的方向發(fā)展。

1 技術(shù)背景概述

    機(jī)械產(chǎn)品的一體化設(shè)計方式，已經(jīng)有許多年的發(fā)展歷程。具體而言，這種一體化的設(shè)計模式，經(jīng)歷了C3P時期、M3P時期等重要階段，已經(jīng)逐漸發(fā)展成型。微機(jī)輔助形式的設(shè)計，重點是建立在復(fù)雜系統(tǒng)基礎(chǔ)上的動態(tài)化設(shè)計、建立在學(xué)科協(xié)調(diào)基礎(chǔ)上的優(yōu)化框架設(shè)計、建立在構(gòu)造合成基礎(chǔ)上的統(tǒng)一化模型設(shè)計，以及建立在可以重復(fù)運用的控制技術(shù)基礎(chǔ)上的樣機(jī)研制開發(fā)。這些相關(guān)技術(shù)，逐步構(gòu)成了一整套的軟件工具平臺。在對于機(jī)械產(chǎn)品的管理上，對于產(chǎn)品數(shù)據(jù)的控制，正在逐步擴(kuò)展成PLM形式的周期管理技術(shù)手段。

    微機(jī)輔助形式的分析技術(shù)，推動了機(jī)械性能的整體分析、仿真形式分析技術(shù)的改善，在技術(shù)的應(yīng)用實踐中取得了較好成果。最近幾年，隨著數(shù)字樣機(jī)方式的不斷更新，產(chǎn)品的性能開發(fā)領(lǐng)域取得了許多技術(shù)突破成果�？煽啃匝芯抗ぷ鞯拈_展，將機(jī)械可靠性的研究與產(chǎn)品功能一體化模式開發(fā)密切結(jié)合，滿足了設(shè)計工作的現(xiàn)實需求。同時，在機(jī)械分析過程中，技術(shù)人員也更傾向于考慮學(xué)科之間的整合，以及設(shè)計流程的優(yōu)化，這逐漸成為了保證復(fù)雜系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。

    在機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)方面，可靠性的分析工作與產(chǎn)品性能的研究工作，是有著密切關(guān)聯(lián)的。建立在概率統(tǒng)計基礎(chǔ)上的性能分析，需要工作人員事先收集大量的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品性能信息，并逐個加以整理分析；同時，還需要結(jié)合這一領(lǐng)域的工作經(jīng)驗，來完成性能設(shè)計的任務(wù)，這就難以避免產(chǎn)品性能研究與可靠性研究之間的脫節(jié)現(xiàn)象。由于這一階段的分析局限于單獨的零部件和單獨學(xué)科，往往難以從綜合層面考量產(chǎn)品的整體功能。隨著學(xué)科整合技術(shù)的發(fā)展，特別是數(shù)字化的樣機(jī)方式、仿真與協(xié)調(diào)配合方式、多學(xué)科的性能優(yōu)化方式，以及可靠性技術(shù)方式的進(jìn)步，機(jī)械性能與可靠性之間的聯(lián)系逐步被確立，優(yōu)化綜合學(xué)科的設(shè)計手段成為技術(shù)發(fā)展方向。

2 樣機(jī)虛擬與新式產(chǎn)品管理

    2.1 樣機(jī)虛擬

    對于樣機(jī)的虛擬技術(shù)，是建立在仿真化模型基礎(chǔ)上的機(jī)械設(shè)計方式，這種方式與數(shù)字化技術(shù)關(guān)系緊密。應(yīng)用層面的微機(jī)仿真和數(shù)據(jù)集成手段，有效整合了產(chǎn)品研發(fā)和模擬的過程，在人為創(chuàng)造的環(huán)境中，對機(jī)械設(shè)施的原型進(jìn)行功能的測驗、直觀優(yōu)化、仿真制作，以及模擬應(yīng)用。這些功能的核心，是對機(jī)械性能的技術(shù)模仿，也就是CAE技術(shù)方式。

    對于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的機(jī)械設(shè)施，單純依靠特定型號的軟件，是無法實現(xiàn)模擬功能的，這就需要建立組合形式的軟件平臺，來構(gòu)建復(fù)合的人為模擬環(huán)境，從而對機(jī)械進(jìn)行多層目標(biāo)、多層功能的性能模仿。虛擬形式的樣機(jī)，開發(fā)目的是采用仿真形式的工具，利用數(shù)據(jù)的接口技術(shù)和二次研發(fā)技術(shù)，建立起符合機(jī)械幾何性質(zhì)的研發(fā)模型。樣機(jī)的模擬功能，是動態(tài)分析和傳送機(jī)械數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對于同一模型的多重利用。通過將PDM引進(jìn)到虛擬狀態(tài)的樣機(jī)中，可以確保機(jī)械分析系統(tǒng)不同模塊之間的信息傳遞暢通，提升數(shù)據(jù)的輸送效率。

    2.2 新式產(chǎn)品管理

    新技術(shù)條件下的機(jī)械數(shù)據(jù)管理，也稱為PDM，包含了廣泛的適用范圍。具體而言，所有能夠轉(zhuǎn)化為微機(jī)儲存和分析的信息，都可以由這個系統(tǒng)進(jìn)行控制。目前，這種新式的數(shù)據(jù)管理方式，已經(jīng)被運用于多種產(chǎn)品的制造行業(yè)中；不同的制造行業(yè)依據(jù)機(jī)械的實際特征，采用不同層次的數(shù)據(jù)管理方式。

    在開發(fā)機(jī)械新產(chǎn)品和采集數(shù)據(jù)的過程中，PDM發(fā)揮了采集框架的功能。微機(jī)輔助形式的工具、自動化的電子產(chǎn)品設(shè)計、自動化辦公，以及微機(jī)輔助形式的工藝創(chuàng)造等應(yīng)用程序，通過不同的方式，被系統(tǒng)有效集成。集成的具體方法，包括接口、封裝等；這些對象在經(jīng)過了集成環(huán)節(jié)之后，廣泛分布于制造企業(yè)的每個生產(chǎn)程序中，提升了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行和分享性能。在這樣的模式下，機(jī)械的開發(fā)環(huán)節(jié)就得到了優(yōu)化和重新整合。

3 綜合性平臺的設(shè)置

    在采用了PDM的設(shè)計軟件中，整合了不同種類的功能性軟件。我們以產(chǎn)品的應(yīng)用性能與穩(wěn)定性設(shè)計為模仿背景，確立了機(jī)械數(shù)據(jù)的管理方式。同時，構(gòu)建了樣機(jī)仿真的組織形式以及不同學(xué)科的配合環(huán)境，有效實現(xiàn)模仿工具與數(shù)據(jù)管理的集合。借助PDM模式下的過程管理設(shè)備，來協(xié)調(diào)并行的模仿過程控制。這種綜合性的平臺，設(shè)計理念為平衡和整合機(jī)械分析、產(chǎn)品構(gòu)造、數(shù)據(jù)采集、程序管理和產(chǎn)品特性描繪，在每個階段的設(shè)計中，產(chǎn)品信息都能形成一個封閉的環(huán)形。

    機(jī)械性能與穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)整合，指的是綜合設(shè)計數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)。在數(shù)字化的產(chǎn)品制造背景下，形成與機(jī)械設(shè)計的交互聯(lián)接，集合分析產(chǎn)品可靠性的工具，充分實現(xiàn)性能數(shù)據(jù)和可靠性信息的傳遞與融匯；機(jī)械性能與穩(wěn)定性的過程整合，指的是基于對系統(tǒng)功能的詳細(xì)分析，考慮設(shè)計和分析工作的實際需要，以重點項目為核心，建立的一種協(xié)調(diào)工作程序；機(jī)械性能與穩(wěn)定性的特性整合，是研發(fā)機(jī)械設(shè)施的重要一環(huán)，也是構(gòu)成產(chǎn)品功能系統(tǒng)的重點部分。我們設(shè)計的平臺，工作目標(biāo)為實現(xiàn)機(jī)械的系統(tǒng)性功能，優(yōu)化多種專業(yè)的配合模式，在產(chǎn)品性能與可靠程度之間，尋求一個平衡點。

    3.1 具體設(shè)計方法

    機(jī)械可靠性的協(xié)調(diào)設(shè)計，是建立在系統(tǒng)模型、故障危害分析與故障樹研究基礎(chǔ)上的。其中，機(jī)械系統(tǒng)的可靠性，主要研究產(chǎn)品的整體體系，包含了啟動設(shè)施、控制設(shè)施和功能執(zhí)行設(shè)施等，對這個存在特定結(jié)構(gòu)的整體建立模型，并確定評價標(biāo)準(zhǔn)。故障危害的評價，性質(zhì)為定性的評價，通過對危害程度的分析，來了解機(jī)械事故發(fā)生的情況。這不僅能夠起到對設(shè)計模式的指導(dǎo)作用，也能夠為后續(xù)的定量化評價和模仿打下基礎(chǔ)。故障樹的研究，融合了定性與定量形式的研究，其中定量式的研究可以深刻分析故障的種類和原因，且通常與系統(tǒng)模型結(jié)合運用。

    首先是CAD模式下的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)檢驗。通過建立集成性質(zhì)的機(jī)械可靠性設(shè)置數(shù)據(jù)庫，來采集產(chǎn)品研發(fā)中關(guān)系到可靠程度的數(shù)據(jù)，并運用這一數(shù)據(jù)庫，檢測設(shè)計方式是否符合既定的標(biāo)準(zhǔn)。通過查閱案例數(shù)據(jù)，與CAD技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合，協(xié)助軟件來完成零件和加工技巧設(shè)置中的機(jī)械數(shù)據(jù)控制。運用這種標(biāo)準(zhǔn)化的可靠性設(shè)置信息庫，檢驗機(jī)械部件的綜合性能。

    其次是CAE模式下的機(jī)械配件概率設(shè)置。在三維形式的樣機(jī)和有限元仿真手段的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)信息交互和采集的模仿，進(jìn)而設(shè)計出機(jī)械設(shè)施堅固程度的概率、機(jī)械對于腐蝕和磨損的抵抗程度概率，以及機(jī)械對于運轉(zhuǎn)疲勞的抵抗概率。

    3.2 仿真分析方法

    第一種方法是CAD模式下的FTA仿真手段。在機(jī)械設(shè)施的實際設(shè)計中，微機(jī)輔助的軟件發(fā)揮著重要功能，如較為成熟的Pro工具等。在二次研發(fā)設(shè)計工具之后，這種模塊就能夠與應(yīng)用型的軟件進(jìn)行信息的交換，以及協(xié)調(diào)設(shè)置。有效融合FTA與機(jī)械性能的設(shè)置，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性預(yù)測與改進(jìn)目標(biāo)。

    第二種方法是CAE條件下的機(jī)構(gòu)運行性能仿真。這種仿真的確立基礎(chǔ)，也是三維的樣機(jī)和有限元的仿真模型，結(jié)合了對于強(qiáng)度穩(wěn)定性的模仿，通過與軟件交流信息，并自動模仿集成過程，來判斷機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)的誤差率、模仿多剛體構(gòu)造的各種性能、模仿多柔體構(gòu)造的各種性能，并分析設(shè)施工作的可靠性。

    第三種方法是CAE條件下的設(shè)施強(qiáng)度仿真。在三維的樣機(jī)和有限元的仿真模型環(huán)境下，通過模仿軟件白動采集與交流信息的過程，來再現(xiàn)產(chǎn)品靜態(tài)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性能、模仿產(chǎn)品動態(tài)的強(qiáng)度，并模仿產(chǎn)品在受熱時的強(qiáng)度。

    第四種方法是CAE條件下的設(shè)施抗疲勞程度仿真。在三維的樣機(jī)和有限元的仿真模型環(huán)境下，通過判斷設(shè)施的強(qiáng)度大小，實現(xiàn)信息的交流與自動數(shù)據(jù)集成的模仿，并再現(xiàn)機(jī)械對于疲勞的抵抗性能，估測機(jī)械的運轉(zhuǎn)年限。

    3.3 系統(tǒng)平衡優(yōu)化

    平衡并優(yōu)化機(jī)械的綜合性能，應(yīng)當(dāng)重點考慮如下幾種要素：

    首先確定平衡因素的變化趨勢與強(qiáng)度大小。這個問題直接關(guān)系到分析對象，因此，有必要依據(jù)機(jī)械的具體種類，以及機(jī)械的綜合功能，確立一個完整的分析系統(tǒng)。這個系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含判斷可靠性的基本要素，并能夠依據(jù)事先確立的評判準(zhǔn)則，協(xié)助工作人員平衡機(jī)械的運轉(zhuǎn)過程。

    其次確定功能判斷的關(guān)鍵性指標(biāo)和權(quán)值。通過詳細(xì)分析這一領(lǐng)域的先進(jìn)研究成果，根據(jù)需要評價機(jī)械的實際范圍，來確立采集信息和評判的標(biāo)準(zhǔn)。在確定權(quán)值時，可以選取專家打分的方式，決定處理計算過程的邏輯。

    最后建立優(yōu)化的關(guān)系模型。這種模型面向權(quán)衡的機(jī)械系統(tǒng)，構(gòu)建目標(biāo)為提升系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)性能，并提高系統(tǒng)工作的完善程度。具體而言，可以依據(jù)機(jī)械的功能模仿、可靠程度模仿和維護(hù)保養(yǎng)模仿，運用仿真的技術(shù)措施，來分析目標(biāo)關(guān)系與模擬的方法，提升模擬的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

    將PDM技術(shù)引進(jìn)到機(jī)械的設(shè)計過程中，結(jié)合了數(shù)字模擬技術(shù)和樣機(jī)仿真技術(shù)；在此基礎(chǔ)上，分析了衡量產(chǎn)品空間構(gòu)造可靠性的具體方法。這種可靠性的研究方法，在很大程度上降低了生產(chǎn)成本，并縮短了產(chǎn)品的研發(fā)期限。以機(jī)械可靠性和機(jī)械綜合性能為分析核心的PDM系統(tǒng)，集成了機(jī)械分析的數(shù)據(jù)和分析工具，有助于提升分析的準(zhǔn)確程度。同時，建立了虛擬化的樣機(jī)平臺，構(gòu)建統(tǒng)一形式的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步減少了機(jī)械設(shè)施研發(fā)的時間，為提升產(chǎn)品的綜合性能打下基礎(chǔ)。

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本文標(biāo)題：在設(shè)計與分析機(jī)械可靠性過程中引入PDM技術(shù)

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