重大裝備的服役安全和發(fā)展趨勢

楊海波，黎明，孫冬柏

(1.北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院，北京 100083)

2.北京科技大學(xué)國家材料科學(xué)服役安全科學(xué)中心，北京 100083)

重大裝備的服役安全和發(fā)展趨勢

楊海波1，黎明1，孫冬柏2

(1.北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院，北京 100083)

2.北京科技大學(xué)國家材料科學(xué)服役安全科學(xué)中心，北京 100083)

從裝備的設(shè)計階段到制造階段再到管理階段進行分析、論述，以確保重大裝備的服役安全。重點討論了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法、數(shù)值模擬建模的分析策略、保證制造質(zhì)量的控制手段和設(shè)備安全，同時簡要介紹了重大裝備的發(fā)展趨勢。

重大裝備;優(yōu)化設(shè)計;建模;制造;安全;發(fā)展趨勢

0 前言

中國重大機械裝備行業(yè)類別主要包括:海洋重工、船舶重工、汽車、鋼鐵、機床、機電、紡織、輕工業(yè)、電力設(shè)備、輸變電、新能源、冶金、礦山、煤炭、建材、石油石化、環(huán)保設(shè)備、醫(yī)療器械、工程機械、智能制造裝備、基礎(chǔ)設(shè)施、交通運輸、航空航天、基礎(chǔ)零部件、通用機械等。

重大裝備業(yè)技術(shù)難度大、關(guān)聯(lián)面廣、成套性強，對國民經(jīng)濟發(fā)展具有重大意義、對國計民生具有重大影響，需要組織跨部門、跨行業(yè)、跨地區(qū)，才能完成的重大成套技術(shù)裝備。重大裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平是一個國家綜合國力的集中體現(xiàn)和重要象征，尤其是強國必須要有水平相當?shù)闹卮笱b備制造業(yè)。因此保證重大裝備的服役安全至關(guān)重要。

裝備的安全服役既是設(shè)計、制造的事，也是管理的事，最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好制造保證裝備初始狀態(tài)的良好，合理地數(shù)值模擬建模分析和完善的管理體制是裝備保持正常工作的必要條件。

1 結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計

最優(yōu)化設(shè)計是從可能設(shè)計中選擇最合理的設(shè)計以達到最優(yōu)目標，大大提高了工程的設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。目前，優(yōu)化設(shè)計是工程設(shè)計中的一種重要方法，已經(jīng)廣泛于各個工程領(lǐng)域——航空航天、機械、船舶、交通、電子、通訊、建筑、紡織、冶金、石油、管理等。主要的優(yōu)化方法有模糊優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。

1.1 模糊優(yōu)化

由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，忽略了構(gòu)件的尺寸和性能參數(shù)的隨機性，其結(jié)果不能反映參數(shù)的不確定性這一特點。因此，設(shè)計者需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計時的這種模糊性加入到工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的模型中，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

1.2 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化通過調(diào)整工程結(jié)構(gòu)內(nèi)外邊界形狀，改善結(jié)構(gòu)性能及降低工程結(jié)構(gòu)造價，其主要用來發(fā)掘系統(tǒng)構(gòu)件的合理內(nèi)外邊界形狀。經(jīng)常使用的形狀設(shè)計方法是將控制結(jié)構(gòu)形狀的某些邊界控制點的幾何信息設(shè)為設(shè)計變量，在優(yōu)化過程中通過改變結(jié)構(gòu)的邊界來改變結(jié)構(gòu)的形狀，達到目標函數(shù)最優(yōu)的目的。

1.3 拓撲優(yōu)化

在形狀優(yōu)化的過程中，初始結(jié)構(gòu)和最終結(jié)構(gòu)是同一拓撲結(jié)構(gòu)。如將原有兩個開孔的板經(jīng)形狀優(yōu)化后，改變的僅是開孔的邊界形狀，開孔數(shù)并未增加或減少。但實際上存在這樣的情況，開孔數(shù)的改變比開孔形狀的改變對于降低板的重量更為有效，這就是拓撲優(yōu)化研究的初衷。拓撲優(yōu)化在結(jié)構(gòu)設(shè)計的初始階段，為設(shè)計者提供了一個概念性設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)在布局上得以采用最優(yōu)方案。

2 數(shù)值模擬建模策略

在結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計工作完成以后，裝備的初始結(jié)構(gòu)已然完成，接下來，就是要對設(shè)備整體進行有限元分析，得到設(shè)備的受力和變形狀態(tài)，來判斷裝備工作時的安全狀態(tài)。但是由于機械裝備金屬結(jié)構(gòu)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了提高其有限元分析效率，合理地利用現(xiàn)有的計算機資源，必須依據(jù)相關(guān)策略對其模型進行適當處理。此時，建模策略的合理性直接影響著有限元分析結(jié)果的準確性。主要有四條策略:全局規(guī)劃、實時校核、等效替換、合理簡化。

2.1 全局規(guī)劃

為了保證簡化之后的有限元模型能準確代表原實體模型，在建模開始之前，要對整個建模工作進行詳細的規(guī)劃:(1)確定分析的目標和精度的要求;(2)明確各個零部件的功能、重要程度;(3)考慮可否利用模型的重復(fù)性或?qū)ΨQ性進行進一步簡化;(4)權(quán)衡比較模型簡化所帶來的好處與精度降低所產(chǎn)生的代價，確定合理的簡化程度。

2.2 實時校核

在復(fù)雜裝備的有限元建模過程中，應(yīng)該實時地考慮和校核所建立的模型能否生成有限元網(wǎng)格及能否得到合適的有限元網(wǎng)格。對存在微小圖形要素的零件以及存在點接觸、線接觸或細小間隙的裝配體，應(yīng)實時地對其單獨網(wǎng)格劃分。

2.3 等效替換

等效替換后的模型是原模型的幾何近似和物理近似。等效替換的方法包括:等質(zhì)量體法、等效載荷法、質(zhì)量放大法等。等質(zhì)量體法是使用質(zhì)量相等、形狀更為簡單的模型替換原模型;等效載荷法是使用等效均布載荷替換原零件的作用;質(zhì)量放大法是通過設(shè)置放大的重力加速度替換原零件的作用。

2.4 合理簡化

模型往往包含了大量的細節(jié)特征，部分細節(jié)特征從制造工藝和工業(yè)設(shè)計的角度來考慮的，并不會改變整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，如圓角、倒角、細孔、窄槽、凸臺等。保留這些細節(jié)特征必然導(dǎo)致模型的復(fù)雜程度的增加。為了提高有限元分析的效率，需要對產(chǎn)品的有限元模型進行合理簡化，對那些影響不大的細節(jié)特征，可直接去除。

3 制造質(zhì)量保證

優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計和精確的有限元分析保證設(shè)計出來的裝備是合理的，然而，對于保證裝備的安全服役還不夠，還需要保證裝備制造質(zhì)量。

機械設(shè)備的質(zhì)量是由其各個構(gòu)成零件的加工質(zhì)量和裝配質(zhì)量決定的，單個零件的加工質(zhì)量是否滿足質(zhì)量要求至關(guān)重要。提高制造質(zhì)量的方法就是制造過程質(zhì)量控制，制造質(zhì)量控制主要包括統(tǒng)計質(zhì)量控制和質(zhì)量波動控制等。

3.1 統(tǒng)計質(zhì)量控制

統(tǒng)計過程控制(Statistical Process Control)是采用統(tǒng)計學(xué)理論對質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)進行分析處理，根據(jù)樣本的統(tǒng)計數(shù)據(jù)判斷生產(chǎn)過程是否受到控制，并通過控制圖的實時監(jiān)控和異常分析及時地發(fā)現(xiàn)質(zhì)量的波動，立即采取措施解決問題，使其過程運行在可控范圍內(nèi)，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量目標。通過質(zhì)量數(shù)據(jù)信息的反饋找到影響質(zhì)量特性的因素，僅受到隨機因素影響的生產(chǎn)過程處于統(tǒng)計控制狀態(tài);而受系統(tǒng)因素影響的生產(chǎn)過程則處于統(tǒng)計失控狀態(tài)。生產(chǎn)過程中的質(zhì)量特性波動具有規(guī)律性，在統(tǒng)計控制狀態(tài)下，質(zhì)量特性服從穩(wěn)定的隨機分布;反之，質(zhì)量特性的分布則發(fā)生變化。

3.2 質(zhì)量波動控制

提高產(chǎn)品質(zhì)量的核心是減少產(chǎn)品生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的波動。產(chǎn)品質(zhì)量的波動是由工序流的波動傳遞形成的，對單個工序，研究對象是工序的獨立誤差;對多工序制造過程，工序之間存在傳遞誤差、累積誤差復(fù)映誤差，必須同時考慮本道次工序的影響因素和前面道次對該道次工序質(zhì)量波動有影響的誤差。

4 設(shè)備安全管理

設(shè)計和制造過程是設(shè)備服役之前的工作，把這個工作做好對設(shè)備服役之中的安全意義重大。然而，在設(shè)備的工作過程中，管理也是保障設(shè)備安全服役的重要環(huán)節(jié)。以上幾個環(huán)節(jié)，環(huán)環(huán)相扣，缺一不可。

4.1 安全意識

安全無小事，在生產(chǎn)中絕不能掉以輕心，特別是在例行的設(shè)備安全檢查中，對隱患要及時地處理，不能抱有一種僥幸的心理。要加強對安全意識的教育，經(jīng)常性地督促和檢查。

4.2 安全管理培訓(xùn)

加強安全管理培訓(xùn)可以培養(yǎng)出一批安全意識強、業(yè)務(wù)能力優(yōu)秀的安全管理人員，可以更好地進行設(shè)備安全的管理工作。通過警示教育、法制教育和安全教育能培養(yǎng)一批懂技術(shù)、懂業(yè)務(wù)的隊伍，能提高員工的素質(zhì)，為設(shè)備的安全運行和安全生產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)，做到安全生產(chǎn)。

4.3 維修保養(yǎng)

如果不注意設(shè)備的安全管理、維修保養(yǎng)會造成很多安全隱患，致使一些設(shè)備經(jīng)常帶病作業(yè)，直到設(shè)備不能再運行了才去修。為了減少這種現(xiàn)象的發(fā)生，必須制定并嚴格執(zhí)行設(shè)備維修保養(yǎng)管理制度，保證做到預(yù)防檢修、強制檢修。這樣才能大大提高設(shè)備完好率，使生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展，使設(shè)備安全生產(chǎn)得到充分保證。

4.4 現(xiàn)場管理檢查

設(shè)備管理人員要對運行中的設(shè)備進行定期檢查、流動檢查、突擊檢查等，不給“三違”人員以可乘之機。

4.5 總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)

首先應(yīng)該以過去發(fā)生的事情為教訓(xùn)，樹立“安全第一，預(yù)防為主”的觀念;其次，對現(xiàn)在尚不足以構(gòu)成事故的不安全行為和設(shè)備的不安全狀態(tài)進行統(tǒng)計、分析、研究，并采取相應(yīng)的消除措施，把事故消滅在萌芽狀態(tài)。

5 重大裝備發(fā)展趨勢

裝備制造業(yè)居工業(yè)的核心地位，擔負著為國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)提供技術(shù)裝備的重任，是工業(yè)化國家的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。裝備強則國強，如果沒有重大裝備的發(fā)展，中國的綜合國力到不了今天的水平、整個工業(yè)的技術(shù)水平也到不了今天的水平。我國裝備制造雖然產(chǎn)值位居世界首位，但大而不強，一些重要零部件的發(fā)展方面仍然滯后。近年來，“本土化與自主化”、“數(shù)字化”、“輕量化”、“服務(wù)化”、“ERP管理”等一系列問題一直伴隨著中國裝備制造業(yè)發(fā)展;重大技術(shù)裝備的發(fā)展既是任重道遠又是前景光明。

5.1 自主創(chuàng)新和裝備本土化

要解決我國裝備制造業(yè)在競爭力、市場分額、品牌效應(yīng)等方面的弱勢，不僅要引進、消化國外先進設(shè)備和技術(shù)，更重要的是如何聯(lián)系中國實際，努力實現(xiàn)自主創(chuàng)新，打破國外的專利壁壘，實現(xiàn)裝備的本土化。要實現(xiàn)自主創(chuàng)新，僅僅依靠內(nèi)部研發(fā)資源遠遠不夠，因為這種封閉式的研發(fā)將使具有高風(fēng)險的技術(shù)創(chuàng)新活動陷入困境，因此，企業(yè)要建立一個開放的、非線性的創(chuàng)新中心，用內(nèi)部研發(fā)的杠桿作用撬動和分享外部價值。這種開放性的自主創(chuàng)新，一方面創(chuàng)造新知識、新技術(shù)，可以促進創(chuàng)新的開展;另一方面可以充分探索外部環(huán)境中的新知識、新技術(shù)，并可提升企業(yè)或產(chǎn)業(yè)吸收這些新知識、新技術(shù)的能力。通過自主創(chuàng)新的努力，不僅使得我國能盡快掌握并發(fā)展一些關(guān)鍵核心技術(shù)，實現(xiàn)裝備的本土化，還能引領(lǐng)裝備技術(shù)發(fā)展的潮流，把中國創(chuàng)造輸送出去。

5.2 數(shù)字化

隨著機械行業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計與制造成為提升裝備制造業(yè)的一種重要途徑，同時也是提高企業(yè)核心競爭力的一種重要手段。通過產(chǎn)品設(shè)計、制造及管理過程數(shù)字化，提高產(chǎn)品開發(fā)與制造能力。其中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是數(shù)字化的重要體現(xiàn)。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種集成多種模擬仿真的技術(shù)。采用計算機技術(shù)為核心，生成逼真的視、聽、觸覺等一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備，以自然的方式與虛擬世界中的物體進行交互，互相影響從而產(chǎn)生身臨其境的感受與體驗。在裝備設(shè)計初期，廣泛采用建模與仿真技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、加工生產(chǎn)、使用和回收等全過程模擬，包括多物理場的數(shù)值建模、加工和成形過程仿真、高速高精度的加工設(shè)備模擬及數(shù)字化協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)等，同時將環(huán)境因素和防止污染的措施用于產(chǎn)品設(shè)計中，優(yōu)化各設(shè)計因素，使產(chǎn)品及其制造過程對環(huán)境的總體影響最小。

5.3 輕量化

隨著我國經(jīng)濟和科技的不斷進步發(fā)展，機械裝備構(gòu)件輕量化已經(jīng)成為了機械行業(yè)追求的目標，在機械設(shè)計和制造領(lǐng)域起著不容忽視的重要作用。實現(xiàn)機械裝備構(gòu)件輕量化給社會帶來的好處是多方面的，它不僅可以節(jié)約材料、減少污染，還可以推動節(jié)約社會的構(gòu)建。隨著我國工業(yè)、航空業(yè)、制造業(yè)的迅猛發(fā)展以及對節(jié)能減排的迫切需求，使我國的機械裝備構(gòu)件輕量化擁有更大的發(fā)展空間，也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

5.4 服務(wù)化

在全球服務(wù)性經(jīng)濟興起以及顧客的需求朝著動態(tài)化、定制化發(fā)展的情形下，制造業(yè)與服務(wù)業(yè)出現(xiàn)不斷融合發(fā)展的趨勢，服務(wù)化問題成為當前國內(nèi)外制造業(yè)發(fā)展問題研究的重點之一。裝備制造業(yè)是制造業(yè)發(fā)展水平的重要體現(xiàn)，它的服務(wù)化轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)“中國創(chuàng)造”的重要環(huán)節(jié)，將有助于提升制造業(yè)的綜合實力。在制造業(yè)服務(wù)化發(fā)展的驅(qū)動下，我國的裝備制造企業(yè)正在加快服務(wù)化轉(zhuǎn)型。

5.5 ERP管理

ERP系統(tǒng)是指建立在信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)化的管理思想，為企業(yè)決策層和員工提供決策運行手段的管理平臺。它是從物料需求計劃發(fā)展而來的新一代集成化管理信息系統(tǒng)，它擴展了物料需求計劃的功能，它的核心思想是供應(yīng)鏈管理。其跳出了傳統(tǒng)企業(yè)的邊界，從供應(yīng)鏈范圍去優(yōu)化企業(yè)資源。ERP系統(tǒng)集信息技術(shù)與先進管理思想于一身，成為現(xiàn)代企業(yè)的運行模式，反映時代對企業(yè)合理調(diào)配資源，最大化地創(chuàng)造社會財富的要求，成為企業(yè)在信息時代生存、發(fā)展的基石。

5.6 綠色發(fā)展

我國環(huán)保壓力越來越大。政府采取了一系列措施來監(jiān)督各行各業(yè)走向節(jié)能環(huán)保之路。作為治理環(huán)境污染的排頭兵，環(huán)保機械被推上了風(fēng)口浪尖，機械裝備企業(yè)也紛紛響應(yīng)國家號召，加大對節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的投入，注重研發(fā)新的動力系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，與此同時，城鎮(zhèn)化建設(shè)進程加快推進，環(huán)保機械前景可謂一片光明。

6 結(jié)語

當前我國重大裝備制造業(yè)正處在蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵時期，保障裝備的安全運行對經(jīng)濟的穩(wěn)定增長具有重要意義。在裝備設(shè)計之初使用合理優(yōu)化的方案;在重大裝備分析時充分利用建模的策略;在產(chǎn)品制造過程中采用先進的質(zhì)量控制方法;在設(shè)備服役過程中進行有效的安全管理;只有這樣才能保證重大裝備的安全服役。

［1］段一群.國內(nèi)裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)安全評價與實現(xiàn)機制研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2009.

［2］梁亮山.工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法論［J］.河南科技，2010(12).

［3］朱會文.機械裝備金屬結(jié)構(gòu)有限元建模策略研究與應(yīng)用［J］.圖學(xué)學(xué)報，2013，34(5):144-147.

［4］趙蕾.機械制造企業(yè)過程質(zhì)量分析與控制的研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2012.

［5］徐鵬程.淺議機電設(shè)備安全管理［J］.商城現(xiàn)代化，2010，(26):17-18.

［6］趙君.我國裝備制造業(yè)開放式自主創(chuàng)新模式研究［D］.沈陽:遼寧大學(xué)，2013.

［7］郭麗巖.國家自主創(chuàng)新戰(zhàn)略的核心要義［J］.改革與戰(zhàn)略，2007，12(23).

［8］龐貴.我國裝備制造業(yè)服務(wù)化轉(zhuǎn)型的實證研究:［D］.贛州:江西理工大學(xué)，2013.

［9］孟霖.面向機械裝備制造業(yè)的構(gòu)件化ERP系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代計算機，2013(4):69.

［10］井曦.”綠色戰(zhàn)略”成為機械裝備行業(yè)發(fā)展必然趨勢［N］.中國建材報，2014-3-6(5).

Service safety and development trend of major equipment

YANG Hai-bo1，LI Ming1，SUN Dong-bai2
(1.School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China; 2.National Center for Materials Service Safety，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

Analysis and discusses the major equipment from stage of design to the stage of manufacture and management to ensure the service safety.Focus on the optimization design method，analysis on the strategy of modeling and simulation，control methods of ensuring the manufacturing quality，and briefly introduces the development trend of major equipment.

major equipment;optimization design;modeling;manufacturing;safety;development trend

TH12

A

1001-196X(2014)06-0001-04

2014-06-30;

2014-08-05

國家自然科學(xué)基金項目(51371033)

楊海波(1961-)，男，教授，博導(dǎo)，主要研究復(fù)雜機械力學(xué)行為與服役安全。

新技術(shù)新設(shè)備