森林工程專業(yè)“機械可靠性設(shè)計”課程創(chuàng)新教學(xué)實踐初探

胡志棟，姜繼海

（1.東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

可靠性是貫穿于產(chǎn)品全生命周期內(nèi)用以衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，包含于產(chǎn)品的規(guī)劃、設(shè)計、制造、試驗、使用、管理及維護等各個環(huán)節(jié)。除了技術(shù)性能和經(jīng)濟指標(biāo)以外，現(xiàn)代產(chǎn)品的壽命和故障率決定了其市場競爭力和優(yōu)劣勝負?？煽啃岳碚撜且援a(chǎn)品的壽命特征作為主要研究對象的一門邊緣性學(xué)科，涉及到基礎(chǔ)學(xué)科、專業(yè)技術(shù)學(xué)科和管理學(xué)科等多學(xué)科領(lǐng)域。在美國等發(fā)達國家的許多大學(xué)都開設(shè)了和可靠性工程相關(guān)的課程和學(xué)位，還有一些相關(guān)的職業(yè)教育［1－2］。

“機械可靠性設(shè)計”的設(shè)置，是為了適應(yīng)林業(yè)科技發(fā)展現(xiàn)代化的需要而開設(shè)的選修課。對于森林工程專業(yè)的學(xué)生來說，通過本課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解機械可靠性設(shè)計的基本思想和基本方法，掌握機械可靠性設(shè)計的基本知識、基本理論，熟練應(yīng)用ANSYS對典型機械零件的可靠性進行分析，能夠?qū)⑸a(chǎn)實際中的產(chǎn)品設(shè)計問題進行合理的設(shè)計，并能有效的提高產(chǎn)品的設(shè)計水平和質(zhì)量，降低產(chǎn)品的成本。因此，努力探索一些創(chuàng)新性的教學(xué)方法，使學(xué)生容易理解課程的內(nèi)容，并且切實提高學(xué)生掌握和運用可靠性解決實際可靠性問題，是本課程教學(xué)過程中一項重要的工作，也是機械可靠性設(shè)計教學(xué)亟待解決一個問題。

1 可靠性工程的內(nèi)涵

可靠性學(xué)科就是定量的研究產(chǎn)品動態(tài)質(zhì)量問題的一個學(xué)科。它對推動產(chǎn)品的設(shè)計和分析的現(xiàn)代化提供了必要的理論基礎(chǔ)和分析方法?？煽啃詫W(xué)科所包含的內(nèi)容相當(dāng)廣泛，大致可包含三個方面:可靠性數(shù)學(xué)、可靠性物理 （失效分析）及可靠性工程。［3］。

可靠性設(shè)計是可靠性工程中的重要部分，產(chǎn)品的可靠性在很大程度上取決于設(shè)計的正確性?？煽啃灶A(yù)測是可靠性設(shè)計的重要內(nèi)容之一，除在設(shè)計階段根據(jù)掌握的設(shè)計參數(shù)分布和失效率經(jīng)驗數(shù)據(jù)預(yù)報零部件和系統(tǒng)的預(yù)期可靠度外，還可在設(shè)備運行中根據(jù)采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行失效預(yù)期分析，對設(shè)備的實際壽命和失效進行預(yù)報。系統(tǒng)可靠性分析和可靠性指標(biāo)分配也是可靠性設(shè)計的重要內(nèi)容，其將系統(tǒng)規(guī)定的允許失效率分配給系統(tǒng)的零部件，使在較小的經(jīng)濟代價下達到較高的系統(tǒng)可靠度。

2 教學(xué)內(nèi)容和方法的制定與實施

2.1 精簡教學(xué)內(nèi)容

機械可靠性設(shè)計課程的理論內(nèi)容比較枯燥，應(yīng)該首先讓學(xué)生認識可靠性的重要性，并提升學(xué)生的興趣，因此通過正反兩方面的案例來引出可靠性問題，使學(xué)生充分認識到學(xué)習(xí)可靠性的目的和必要性。

例如2003年，美國“哥倫比亞”號太空船在返回地面大氣層時，由于機身上的一塊隔熱板被外掛油箱的脫落泡綿擊中而刺穿，太空船燒成火球后解體。如圖1所示。

圖1 2003年哥倫比亞號Fig.1 Spacecraft Columbia of 2003

2008年9月25日我國的神舟七號載人航天飛船成功升空，并實現(xiàn)了太空行走，為了這一天，為了發(fā)射萬無一失，中國的航天人付出了很大的心血，當(dāng)時發(fā)射成功的概率據(jù)央視的報導(dǎo)是99.7%，但是據(jù)資料顯示，當(dāng)時的成功概率在99.99%或者更高。如圖2所示。

圖2 2008年神州七號Fig.2 Shenzhou-VII spacecraft of 2008

對森林工程專業(yè)的學(xué)生來說，重點內(nèi)容就是機械可靠性設(shè)計。在講解內(nèi)容時，首先將機械可靠性設(shè)計與常規(guī)的機械設(shè)計進行比較使學(xué)生清楚可靠性設(shè)計和可靠優(yōu)化是以常規(guī)設(shè)計和常規(guī)優(yōu)化為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的一種新的設(shè)計方法。授課內(nèi)容突出一個基本理論，即應(yīng)力一強度干涉理論;兩種典型的概率分布，即連續(xù)型分布和離散型分布;三個常用的隨機變量進行數(shù)學(xué)運算的方法，即矩法、變異系數(shù)法和代數(shù)法;四種典型機械零件的可靠性設(shè)計，即螺栓連接、軸、滾動軸承和圓柱彈簧。

2.2 加強教學(xué)的實踐環(huán)節(jié)

為了加強森林工程專業(yè)學(xué)生的機械可靠性設(shè)計的實踐能力，選用ANSYS軟件中的Probabilistic Design System模塊，不僅可以讓學(xué)生掌握ANSYS軟件，還可以借助可靠性分析模塊把分析結(jié)果圖形化，這樣使學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容有一個生動、形象的認識。

實踐環(huán)節(jié)選用了一些典型的機械結(jié)構(gòu)或機械零件，如簡支梁結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、壓力容器、內(nèi)六角扳手、螺栓和傳動軸等，如圖3所示［4－5］。將學(xué)生分成學(xué)習(xí)小組，這樣既可以調(diào)動學(xué)生的積極性，又可以通過團隊的合作使學(xué)生形成獨立的研究團隊，為今后在工作過程中打下一定的基礎(chǔ)。

圖3 典型機械結(jié)構(gòu)/零件模型Fig.3 Model of typical mechanical structure or part

圖4所示是學(xué)生用ANSYS分析可靠性得到的一些典型的數(shù)據(jù)結(jié)果，分別反應(yīng)了參數(shù)的抽樣過程，參數(shù)的分布函數(shù)形狀和各種輸入?yún)?shù)對結(jié)果的敏感性貢獻等。

圖4 可靠性分析結(jié)果Fig.4 Results of reliability analysis

3 結(jié)論

通過精簡機械可靠性設(shè)計課程的教學(xué)過程內(nèi)容，加強實踐教學(xué)等幾個環(huán)節(jié)的創(chuàng)新性實踐，改變了以往學(xué)生簡單地學(xué)習(xí)機械可靠性設(shè)計這門課程的枯燥基礎(chǔ)理論的現(xiàn)象。使學(xué)生不但能夠較好地掌握該門課程的基礎(chǔ)理論，還學(xué)會了應(yīng)用ANSYS對典型機械結(jié)構(gòu)/零件在具體實踐中進行可靠性設(shè)計。為學(xué)生今后從事可靠性的工程技術(shù)及科學(xué)研究工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

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［1］孫 權(quán)，龔時雨，朱志偉.美國馬里蘭大學(xué)可靠性工程教育的研究與借鑒［J］.高等教育研究學(xué)報，2000，23（3）:96 －97.

［2］陶俊勇，任志乾，陳 循.美國馬里蘭大學(xué)可靠性工程專業(yè)與課程體系建設(shè)淺析［J］.高等教育研究學(xué)報，2009，32（1）:51 －53.

［3］郝靜如.機械可靠性工程［M］.國防工業(yè)出版社，2008（3）:81－85.

［4］胡志棟，萬雨婷.基于ANSYS的壓力容器可靠性分析［J］.森林工程，2011，27（4）:15 －19.

［5］胡志棟，徐康博.液壓拉伸器用螺栓的可靠性分析［J］.森林工程，2012，28（2）:38 －41.

［6］王 巍，郭 瑞，宋玉杰，等.工業(yè)工程實踐教學(xué)創(chuàng)新方法研究［J］.森林工程，2011，27（5）:94 －96