產品的一體化方式，已經(jīng)在產品制造領域被推廣應用。隨著電腦輔助分析手段的不斷完善，產品功能的設計、仿真形式的分析手段，以及可靠性分析的相關技術，都有了不同程度的發(fā)展。近些年來，數(shù)字化的樣機模擬方式不斷更新，這推動了產品功能開發(fā)的一體化進程，關鍵領域的控制性技術手段也有了一定突破。在機械設施可靠性的判斷與設計中，需要明確的重要問題之一，就是將可靠性的判斷納入到產品性能的設置和模擬過程中。復雜機械可靠性的提升，以及設計流程中不同學科的協(xié)調配合，也是優(yōu)化整個設計分析模式的重要環(huán)節(jié)。隨著學科綜合方式、數(shù)字化的樣機方式，以及工程可靠性方式的逐步推進，機械可靠性的分析設計也在朝著學科整合的方向發(fā)展。
1 技術背景概述
機械產品的一體化設計方式，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。微機輔助形式的設計，重點是建立在復雜系統(tǒng)基礎上的動態(tài)化設計、建立在學科協(xié)調基礎上的優(yōu)化框架設計、建立在構造合成基礎上的統(tǒng)一化模型設計，以及建立在可以重復運用的控制技術基礎上的樣機研制開發(fā)。這些相關技術，逐步構成了一整套的軟件工具平臺。在對于機械產品的管理上，對于產品數(shù)據(jù)的控制，正在逐步擴展成PLM形式的周期管理技術手段。
微機輔助形式的分析技術，推動了機械性能的整體分析、仿真形式分析技術的改善，在技術的應用實踐中取得了較好成果。最近幾年，隨著數(shù)字樣機方式的不斷更新，產品的性能開發(fā)領域取得了許多技術突破成果。可靠性研究工作的開展，將機械可靠性的研究與產品功能一體化模式開發(fā)密切結合，滿足了設計工作的現(xiàn)實需求。同時，在機械分析過程中，技術人員也更傾向于考慮學科之間的整合，以及設計流程的優(yōu)化，這逐漸成為了保證復雜系統(tǒng)正常運轉的關鍵。
在機械產品的研發(fā)方面，可靠性的分析工作與產品性能的研究工作，是有著密切關聯(lián)的。建立在概率統(tǒng)計基礎上的性能分析，需要工作人員事先收集大量的數(shù)據(jù)和產品性能信息，并逐個加以整理分析；同時，還需要結合這一領域的工作經(jīng)驗，來完成性能設計的任務，這就難以避免產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科，往往難以從綜合層面考量產品的整體功能。隨著學科整合技術的發(fā)展，特別是數(shù)字化的樣機方式、仿真與協(xié)調配合方式、多學科的性能優(yōu)化方式，以及可靠性技術方式的進步，機械性能與可靠性之間的聯(lián)系逐步被確立，優(yōu)化綜合學科的設計手段成為技術發(fā)展方向。
2 樣機虛擬與新式產品管理
2.1 樣機虛擬
對于樣機的虛擬技術，是建立在仿真化模型基礎上的機械設計方式，這種方式與數(shù)字化技術關系緊密。應用層面的微機仿真和數(shù)據(jù)集成手段，有效整合了產品研發(fā)和模擬的過程，在人為創(chuàng)造的環(huán)境中，對機械設施的原型進行功能的測驗、直觀優(yōu)化、仿真制作，以及模擬應用。這些功能的核心，是對機械性能的技術模仿，也就是CAE技術方式。
對于結構較為復雜的機械設施，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，來構建復合的人為模擬環(huán)境，從而對機械進行多層目標、多層功能的性能模仿。虛擬形式的樣機，開發(fā)目的是采用仿真形式的工具，利用數(shù)據(jù)的接口技術和二次研發(fā)技術，建立起符合機械幾何性質的研發(fā)模型。樣機的模擬功能，是動態(tài)分析和傳送機械數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對于同一模型的多重利用。通過將PDM引進到虛擬狀態(tài)的樣機中，可以確保機械分析系統(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 新式產品管理
新技術條件下的機械數(shù)據(jù)管理，也稱為PDM，包含了廣泛的適用范圍。具體而言，所有能夠轉化為微機儲存和分析的信息，都可以由這個系統(tǒng)進行控制。目前，這種新式的數(shù)據(jù)管理方式，已經(jīng)被運用于多種產品的制造行業(yè)中；不同的制造行業(yè)依據(jù)機械的實際特征，采用不同層次的數(shù)據(jù)管理方式。
在開發(fā)機械新產品和采集數(shù)據(jù)的過程中，PDM發(fā)揮了采集框架的功能。微機輔助形式的工具、自動化的電子產品設計、自動化辦公，以及微機輔助形式的工藝創(chuàng)造等應用程序，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)的每個生產程序中，提升了系統(tǒng)的協(xié)調運行和分享性能。在這樣的模式下，機械的開發(fā)環(huán)節(jié)就得到了優(yōu)化和重新整合。
3 綜合性平臺的設置
在采用了PDM的設計軟件中，整合了不同種類的功能性軟件。我們以產品的應用性能與穩(wěn)定性設計為模仿背景，確立了機械數(shù)據(jù)的管理方式。同時，構建了樣機仿真的組織形式以及不同學科的配合環(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備，來協(xié)調并行的模仿過程控制。這種綜合性的平臺，設計理念為平衡和整合機械分析、產品構造、數(shù)據(jù)采集、程序管理和產品特性描繪，在每個階段的設計中，產品信息都能形成一個封閉的環(huán)形。
機械性能與穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)整合，指的是綜合設計數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)。在數(shù)字化的產品制造背景下，形成與機械設計的交互聯(lián)接，集合分析產品可靠性的工具，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)功能的詳細分析，考慮設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)調工作程序；機械性能與穩(wěn)定性的特性整合，是研發(fā)機械設施的重要一環(huán)，也是構成產品功能系統(tǒng)的重點部分。我們設計的平臺，工作目標為實現(xiàn)機械的系統(tǒng)性功能，優(yōu)化多種專業(yè)的配合模式，在產品性能與可靠程度之間，尋求一個平衡點。
3.1 具體設計方法
機械可靠性的協(xié)調設計，是建立在系統(tǒng)模型、故障危害分析與故障樹研究基礎上的。其中，機械系統(tǒng)的可靠性，主要研究產品的整體體系，包含了啟動設施、控制設施和功能執(zhí)行設施等，對這個存在特定結構的整體建立模型，并確定評價標準。故障危害的評價，性質為定性的評價，通過對危害程度的分析，來了解機械事故發(fā)生的情況。這不僅能夠起到對設計模式的指導作用，也能夠為后續(xù)的定量化評價和模仿打下基礎。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)模型結合運用。
首先是CAD模式下的設計標準檢驗。通過建立集成性質的機械可靠性設置數(shù)據(jù)庫，來采集產品研發(fā)中關系到可靠程度的數(shù)據(jù)，并運用這一數(shù)據(jù)庫，檢測設計方式是否符合既定的標準。通過查閱案例數(shù)據(jù)，與CAD技術進行有機整合，協(xié)助軟件來完成零件和加工技巧設置中的機械數(shù)據(jù)控制。運用這種標準化的可靠性設置信息庫，檢驗機械部件的綜合性能。
其次是CAE模式下的機械配件概率設置。在三維形式的樣機和有限元仿真手段的基礎上，實現(xiàn)信息交互和采集的模仿，進而設計出機械設施堅固程度的概率、機械對于腐蝕和磨損的抵抗程度概率，以及機械對于運轉疲勞的抵抗概率。
3.2 仿真分析方法
第一種方法是CAD模式下的FTA仿真手段。在機械設施的實際設計中，微機輔助的軟件發(fā)揮著重要功能，如較為成熟的Pro工具等。在二次研發(fā)設計工具之后，這種模塊就能夠與應用型的軟件進行信息的交換，以及協(xié)調設置。有效融合FTA與機械性能的設置，可以實現(xiàn)產品的可靠性預測與改進目標。
第二種方法是CAE條件下的機構運行性能仿真。這種仿真的確立基礎，也是三維的樣機和有限元的仿真模型，結合了對于強度穩(wěn)定性的模仿，通過與軟件交流信息，并自動模仿集成過程，來判斷機構運轉的誤差率、模仿多剛體構造的各種性能、模仿多柔體構造的各種性能，并分析設施工作的可靠性。
第三種方法是CAE條件下的設施強度仿真。在三維的樣機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)產品靜態(tài)的強度與穩(wěn)定性能、模仿產品動態(tài)的強度，并模仿產品在受熱時的強度。
第四種方法是CAE條件下的設施抗疲勞程度仿真。在三維的樣機和有限元的仿真模型環(huán)境下，通過判斷設施的強度大小，實現(xiàn)信息的交流與自動數(shù)據(jù)集成的模仿，并再現(xiàn)機械對于疲勞的抵抗性能，估測機械的運轉年限。
3.3 系統(tǒng)平衡優(yōu)化
平衡并優(yōu)化機械的綜合性能，應當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度大小。這個問題直接關系到分析對象，因此，有必要依據(jù)機械的具體種類，以及機械的綜合功能，確立一個完整的分析系統(tǒng)。這個系統(tǒng)應當包含判斷可靠性的基本要素，并能夠依據(jù)事先確立的評判準則，協(xié)助工作人員平衡機械的運轉過程。
其次確定功能判斷的關鍵性指標和權值。通過詳細分析這一領域的先進研究成果，根據(jù)需要評價機械的實際范圍，來確立采集信息和評判的標準。在確定權值時，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)化的關系模型。這種模型面向權衡的機械系統(tǒng)，構建目標為提升系統(tǒng)的運轉性能，并提高系統(tǒng)工作的完善程度。具體而言，可以依據(jù)機械的功能模仿、可靠程度模仿和維護保養(yǎng)模仿，運用仿真的技術措施，來分析目標關系與模擬的方法，提升模擬的準確性。
4 結束語
將PDM技術引進到機械的設計過程中，結合了數(shù)字模擬技術和樣機仿真技術；在此基礎上，分析了衡量產品空間構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成本，并縮短了產品的研發(fā)期限。以機械可靠性和機械綜合性能為分析核心的PDM系統(tǒng)，集成了機械分析的數(shù)據(jù)和分析工具，有助于提升分析的準確程度。同時，建立了虛擬化的樣機平臺，構建統(tǒng)一形式的數(shù)據(jù)庫，進一步減少了機械設施研發(fā)的時間，為提升產品的綜合性能打下基礎。
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