飛機(jī)結(jié)構(gòu)件機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)探究

來希雪 張偉

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722097

摘要：飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，如何將機(jī)械產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)的開發(fā)研制、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、使用、運(yùn)輸、保管及維修保養(yǎng)等各個(gè)環(huán)節(jié)順利完成，一定時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)揮其功能，引入可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)顯得更為重要。本文研究了可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)件；可靠性；優(yōu)化設(shè)計(jì)

人們對于可靠性的一般理解，就是認(rèn)為可靠性表示元件、組件、零件、部件、總成、機(jī)器、設(shè)備或整個(gè)系統(tǒng)等產(chǎn)品，在正常使用條件下的工作是否長期可靠，性能是否長期穩(wěn)定的特性。優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念中的重要方法之一，機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)是以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)過程中存在著大量的計(jì)算和優(yōu)化算法，所以必須與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合，而機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)則是可靠性工程的一個(gè)重要分支，尤其對于精密機(jī)械產(chǎn)品來說，比如飛機(jī)更應(yīng)重視機(jī)械強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)。

1 機(jī)械可靠性概述

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展和客戶對產(chǎn)品使用可靠性需求的不斷提高，產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)也越來越成為產(chǎn)品被關(guān)注的焦點(diǎn)。可靠性的概念是指“產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的使用條件下，完成規(guī)定功能的能力或性質(zhì)”。除電子產(chǎn)品外，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)與研究才剛剛開始。雖然國內(nèi)外都投入了大量的人力物力，取得了一些的研究成果，但飛機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，涉及的領(lǐng)域較多，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度專業(yè)分類較細(xì)，可借鑒的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，強(qiáng)度可靠性研究的范圍大等潛在因素的存在，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中應(yīng)用較慢在機(jī)械強(qiáng)度可靠性涉及的范圍中，含有以下因素：（1）對象，可靠性問題的研究對象是產(chǎn)品，它是泛指的，可以是零件、部件、組件、總成、設(shè)備，甚至整個(gè)系統(tǒng)。（2）使用條件，包括使用時(shí)的環(huán)境條件（如溫度載荷、振動、沖擊、腐蝕、磨損等等）、使用方法、操作水平等預(yù)期的儲存及運(yùn)行條件，對其可靠性都會有很大影響。（3）規(guī)定時(shí)間，與機(jī)械強(qiáng)度可靠性關(guān)系非常密切的是關(guān)于使用期限的規(guī)定，因?yàn)榭煽慷仁且粋€(gè)有時(shí)間性的定義。結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度隨著使用時(shí)間的變化，應(yīng)力水平會發(fā)生較大改變，材料本身屬性隨著時(shí)間的推移，也會發(fā)生改變。因此，必須明確時(shí)間的要求再談可靠度設(shè)計(jì)。（4）規(guī)定功能，功能規(guī)定是指在規(guī)定的使用條件下能維持所規(guī)定的正常工作而不發(fā)生失效（或發(fā)生故障），指研究對象（產(chǎn)品）能在規(guī)定的功能參數(shù)下正常運(yùn)行。（5）概率，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度可靠度是可靠性的概率表示，把可靠性用數(shù)學(xué)方法表達(dá)出來，更能量化出來可靠性優(yōu)劣大小等，可靠性技術(shù)發(fā)展的根本點(diǎn)也是概率的大小。

2 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)

傳統(tǒng)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)思路大致是工程師從概念設(shè)計(jì)到三維實(shí)體建模，根據(jù)飛機(jī)飛行條件由仿真工程師做出強(qiáng)度分析評價(jià)，仿真工程師再設(shè)計(jì)的不斷重復(fù)及優(yōu)化的過程，依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)工作的任務(wù)要求，采用調(diào)查研究和搜集資料的工作，參考或比照相似的任務(wù)或者較為成熟已完成的的設(shè)計(jì)方案，憑借設(shè)計(jì)工作者的工作經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合想用的數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，擬定一個(gè)初始的試用方案，并通過對方案的初步估算以確定有關(guān)參數(shù)，并評價(jià)方案的合理性和使用價(jià)值，當(dāng)某些結(jié)果與任務(wù)要求不相符合時(shí)，就需要修改試用方案或者重新設(shè)計(jì)一個(gè)新的試用方案，然后繼續(xù)重復(fù)上述過程；如此多次反復(fù)，直到獲得滿意的設(shè)計(jì)方案，整個(gè)設(shè)計(jì)活動才算完成了初始的部分，之后還要根據(jù)制造出的產(chǎn)品和具體使用情況和用戶的反饋來繼續(xù)對方案進(jìn)行改進(jìn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作量必須花費(fèi)較多的設(shè)計(jì)時(shí)間，設(shè)計(jì)周期也相應(yīng)的增長，加之由于人工成本和效率的限制，往往只能在很少的幾個(gè)方案中進(jìn)行分析和比選。由于該情況的限制，設(shè)計(jì)周期大大增長，某種程度上限制了設(shè)計(jì)工作的效率。所以，要想實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)自動化，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)成本，就成為機(jī)械設(shè)計(jì)與發(fā)展亟需解決的迫切問題，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，即機(jī)械設(shè)計(jì)CAD技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助分析，即機(jī)械設(shè)計(jì)CAE技術(shù)兩者應(yīng)運(yùn)而生。

3 機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)顯得更為重要。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中更高的要求，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是以簡單的數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)過程中需要大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，往往人工計(jì)算是不夠的，所以必須與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)則是可靠性工程的個(gè)重要分支學(xué)科：生產(chǎn)的產(chǎn)品能否很好的使用，很大程度上取決于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)的可靠度情況，這才是發(fā)展可靠性設(shè)計(jì)的初衷。然而可靠性設(shè)計(jì)的目標(biāo)往往只限于確?；蝾A(yù)測所設(shè)計(jì)的機(jī)械產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下和規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率大小，即確保產(chǎn)品的。除此之外無法保證最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，參數(shù)和工作性能，同時(shí)成本最低和實(shí)現(xiàn)效益的最大化因此，將最優(yōu)化技術(shù)引入可靠性設(shè)計(jì)理論并與之結(jié)合起來，采用可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，才能實(shí)現(xiàn)滿足可靠性且具有最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。一種新的機(jī)械設(shè)計(jì)方法這就產(chǎn)生了，即可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

3.1 系統(tǒng)可靠性的最優(yōu)分配

以系統(tǒng)級可靠度指標(biāo)為約束，將系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)以機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法分配給各個(gè)子系統(tǒng)和零部件，使系統(tǒng)的成本費(fèi)用、設(shè)計(jì)周期、功能參數(shù)等指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)?？煽啃宰顑?yōu)分配是機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制過程中必須解決的一個(gè)重要問題，其目的是從整體利益出發(fā)，將有限資源充分利用，達(dá)到最優(yōu)的效果。

3.2 以可靠度最大為目標(biāo)的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)很多，往往需要挑選一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，在機(jī)械產(chǎn)品可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，目標(biāo)函數(shù)通常可以選取機(jī)械產(chǎn)品的可靠度，以產(chǎn)品的可靠度最大來建立數(shù)學(xué)規(guī)劃方程，以產(chǎn)品的功能或經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)作為約束條件，來做可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3 以可靠度為約束條件的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

以某些設(shè)計(jì)指標(biāo)如功能參數(shù)、設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)周期等作為約束，以另一些指標(biāo)如體積、大小、人機(jī)工程及質(zhì)量為目標(biāo)，建立可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型并計(jì)算最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)。

4 結(jié)論與展望

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)越來越為重要的擺在每一設(shè)計(jì)師面前，將是未來機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展的主旋律，并且可靠性設(shè)計(jì)將更朝著標(biāo)準(zhǔn)化、信息集成化、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化智能化方向發(fā)展。而且超級計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)比如飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的可靠性設(shè)計(jì)分析提供有力支撐，兩者相輔相成，必將不斷促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品可靠性的飛速發(fā)展。