基于數(shù)字仿真的機(jī)械產(chǎn)品可靠性測(cè)試研究

尚延鵬， 王云鋒， 李海斌， 潘康華， 辛明哲

（中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044）

0 引言

隨著智能制造的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程已逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，但目前可靠性測(cè)試仍以實(shí)物驗(yàn)證為主，未能形成機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、 測(cè)試、 制造全面數(shù)字化的完整閉環(huán)，機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，嚴(yán)重制約了當(dāng)前企業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的提高， 阻礙了企業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的進(jìn)一步提升。

尤其我國(guó)航空航天、 軌道交通等領(lǐng)域的產(chǎn)品復(fù)雜程度越來越高，產(chǎn)品的工作環(huán)境越來越嚴(yán)苛，壽命要求越來越長(zhǎng)，其性能和可靠性保證難度也越來越大，傳統(tǒng)的通過實(shí)物試驗(yàn)暴露產(chǎn)品缺陷、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品改進(jìn)的測(cè)試評(píng)價(jià)模式，不論是在產(chǎn)品高質(zhì)量保證， 還是研制成本與周期等方面均已無法滿足當(dāng)前及未來發(fā)展的迫切需求。 同時(shí)，傳統(tǒng)實(shí)物可靠性測(cè)試方法難以驗(yàn)證復(fù)雜環(huán)境因素如超高真空、超低溫等對(duì)產(chǎn)品性能的影響。 而基于數(shù)字仿真的可靠性測(cè)試方法可以通過參數(shù)化建模、仿真模型修正、數(shù)字化試驗(yàn)，有效模擬環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品性能的影響，快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證與評(píng)價(jià)， 促進(jìn)企業(yè)提質(zhì)增效和核心競(jìng)爭(zhēng)力的提升。

1 數(shù)字仿真工況分析

基于數(shù)字仿真的可靠性測(cè)試是以產(chǎn)品的數(shù)字模型為基礎(chǔ)， 通過數(shù)字仿真對(duì)產(chǎn)品在規(guī)定的壽命周期及預(yù)期的使用環(huán)境下保持規(guī)定功能的能力進(jìn)行全面測(cè)試與評(píng)價(jià)的一系列活動(dòng)，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測(cè)試、制造全鏈條數(shù)字化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段，是《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2018 版）》的重點(diǎn)方向之一。

在國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)， 基于數(shù)字仿真的機(jī)械產(chǎn)品可靠性測(cè)試通常存在兩種應(yīng)用場(chǎng)景[1，2]：①產(chǎn)品工況可完全通過物理手段進(jìn)行模擬， 即產(chǎn)品的工作環(huán)境完全能夠通過物理手段進(jìn)行模擬，并以物理手段進(jìn)行驗(yàn)證；②產(chǎn)品工況不可完全通過物理手段進(jìn)行模擬， 即在基于數(shù)字仿真的可靠性測(cè)試過程中所進(jìn)行的物理試驗(yàn)條件難以與產(chǎn)品實(shí)際工作狀態(tài)完全一致，如深空探測(cè)等，需經(jīng)過修正的仿真模型模擬產(chǎn)品真實(shí)工作狀況，拓展可靠性測(cè)試適用場(chǎng)景。

2 數(shù)字仿真流程

2.1 可完全物理模擬場(chǎng)景

在可完全物理模擬場(chǎng)景下， 產(chǎn)品的工作環(huán)境完全能夠通過物理手段進(jìn)行模擬， 在進(jìn)行產(chǎn)品仿真模型修正與可靠性評(píng)價(jià)過程中均可直接利用物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 其數(shù)字仿真流程如圖1 所示。

圖1 可完全物理模擬場(chǎng)景的數(shù)字仿真流程Fig.1 Digital simulation flow of fully physical simulation scene

可完全物理模擬場(chǎng)景下機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字仿真流程如下：

（1）模型建立。設(shè)計(jì)人員通過CAD 或CAE 軟件，按照面向可靠性測(cè)試的理念進(jìn)行模型創(chuàng)建，生成仿真模型。

（2）仿真過程與方法。 建立仿真分析模型邊界條件、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)、模型輸出接口等內(nèi)容，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、仿真模型的可分析性、分析方法的可操作性、實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性等內(nèi)容進(jìn)行確認(rèn)。

（3）可靠性評(píng)價(jià)。在得到可完全物理模擬場(chǎng)景下的可靠性仿真結(jié)果以后，應(yīng)進(jìn)行仿真結(jié)果的正確性驗(yàn)證，驗(yàn)證過程應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果是否符合檢驗(yàn)過程與可靠性評(píng)價(jià)過程中對(duì)數(shù)據(jù)類型的相關(guān)要求[1]。

（4）結(jié)果分析與可靠性增長(zhǎng)要求。在得到可靠性評(píng)價(jià)結(jié)果后， 需根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果判斷機(jī)械產(chǎn)品是否滿足設(shè)定的可靠性要求。若產(chǎn)品可靠性不滿足預(yù)期指標(biāo)，則需結(jié)合數(shù)字仿真積累的大量數(shù)據(jù)， 對(duì)產(chǎn)品的可靠性串并聯(lián)關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，而后對(duì)其進(jìn)行仿真與可靠性評(píng)價(jià)，直至其滿足可靠性要求，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性增長(zhǎng)。

2.2 不可完全物理模擬場(chǎng)景

相比于可完全物理模擬場(chǎng)景， 不可完全物理模擬場(chǎng)景在基于數(shù)字仿真的可靠性測(cè)試過程中所進(jìn)行的物理試驗(yàn)條件難以與產(chǎn)品實(shí)際工作狀態(tài)完全一致。 因此其仿真模型建立及可靠性評(píng)價(jià)過程與工況可完全物理模擬場(chǎng)景有一定差異，其數(shù)字仿真流程如圖2 所示。

圖2 不可完全物理模擬場(chǎng)景的數(shù)字仿真流程Fig.2 Digital simulation flow of incompletely physical simulation scene

不可完全物理模擬場(chǎng)景下機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字仿真流程如下：

（1）模型建立。 相比于可完全物理模擬，不可完全物理模擬場(chǎng)景下，產(chǎn)品實(shí)際工作環(huán)境特殊，難以通過物理手段進(jìn)行模擬。但工程實(shí)際要求對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，因此需進(jìn)行非實(shí)際工作環(huán)境下， 開展針對(duì)仿真模型的物理驗(yàn)證。針對(duì)不可完全物理模擬場(chǎng)景下的仿真模型建立，需按照物理試驗(yàn)條件建立額外的仿真模型， 經(jīng)過仿真模型質(zhì)量檢驗(yàn)保證仿真模型準(zhǔn)確性后， 建立實(shí)際工作狀態(tài)下的仿真模型，并依照規(guī)范輸出定義，進(jìn)入仿真分析流程[3]。

（2）仿真過程與方法。工況可完全物理模擬場(chǎng)景下可靠性測(cè)試相同。

（3）可靠性評(píng)價(jià)。區(qū)別于可完全物理模擬場(chǎng)景下的數(shù)字仿真可靠性評(píng)價(jià)流程， 不可完全物理模擬場(chǎng)景下的可靠性評(píng)價(jià)， 應(yīng)使用物理試驗(yàn)條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)相應(yīng)條件下的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)， 檢驗(yàn)通過后表明仿真數(shù)據(jù)的正確性， 再使用實(shí)際工作條件下的仿真數(shù)據(jù)完成可靠性評(píng)價(jià)[4]。

（4）結(jié)果分析與可靠性增長(zhǎng)要求。與可靠性增長(zhǎng)要求與工況可完全物理模擬場(chǎng)景下可靠性測(cè)試相同。

3 實(shí)例

3.1 可完全物理模擬場(chǎng)景

某柴油機(jī)EGR 系統(tǒng)分為廢氣取氣管、EGR 冷卻器、冷卻器支架、EGR 閥、閥座、閥座支架、廢氣出氣管等部分組成。 冷卻器支架、閥座支架通過螺栓與機(jī)體固定。 如圖3 所示。

圖3 某柴油機(jī)EGR 系統(tǒng)三維CAD 模型Fig.3 Three-dimensional CAD model of a diesel engine EGR system

（1）仿真模型構(gòu)建。 以三維CAD 模型為基礎(chǔ)，建立EGR 系統(tǒng)有限元仿真分析模型，對(duì)EGR 系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共計(jì)143105 個(gè)網(wǎng)格，287423 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（2）可靠性仿真分析。 為了更好的模擬EGR 系統(tǒng)實(shí)際結(jié)構(gòu)，需按照實(shí)際約束方式進(jìn)行模態(tài)特征分析。建立完整的EGR 系統(tǒng)有限元仿真模型之后，采用有限元計(jì)算軟件求解EGR 系統(tǒng)低階固有頻率，各階振型如圖4 所示。

圖4 EGR 系統(tǒng)約束模態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果Fig.4 EGR system constrained modal simulation calculation results

（3）可靠性評(píng)價(jià)。 在可靠性仿真分析，得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)固有特性，表1 列出了EGR 系統(tǒng)的前五階模態(tài)固有頻率和阻尼比。

表1 EGR 系統(tǒng)各階固有頻率和阻尼比Tab.1 Natural frequency and damping ratio of each order of EGR system

（4）結(jié)果分析與可靠性增長(zhǎng)。 將模態(tài)仿真分析結(jié)果、模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與振動(dòng)分析試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比， 如表2 所示，EGR 系統(tǒng)仿真模型第一階固有頻率為189.8Hz， 表現(xiàn)為EGR 系統(tǒng)繞X 軸擺動(dòng)；模態(tài)試驗(yàn)測(cè)得第一階固有頻率為182.7Hz，表現(xiàn)為繞X 軸擺動(dòng)，兩者偏差在3.5%之內(nèi)。振動(dòng)分析得出的第一階固有頻率為165Hz， 模態(tài)試驗(yàn)測(cè)得第一階固有頻率為182.7Hz，兩者偏差在10%，差別較大；原因在于模態(tài)試驗(yàn)是在柴油機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行的，而振動(dòng)分析試驗(yàn)是在柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行的，EGR管路連接狀態(tài)存在差別。 柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)EGR 系統(tǒng)受到溫度、流體等因素的影響，其固有頻率會(huì)略有所下降。

表2 仿真分析、試驗(yàn)分析與實(shí)際振動(dòng)分析結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of simulation analysis，test analysis and actual vibration analysis results

3.2 不可完全物理模擬場(chǎng)景

以月球探測(cè)器為例， 其主要由探測(cè)器主體結(jié)構(gòu)及4套軟著陸緩沖系統(tǒng)組成，如圖5 所示。

圖5 月球探測(cè)器軟著陸緩沖系統(tǒng)Fig.5 Soft landing buffer system of lunar probe

（1）仿真模型構(gòu)建。 以三維CAD 模型為基礎(chǔ)，軟著陸緩沖系統(tǒng)的各構(gòu)件同樣簡(jiǎn)化為剛體， 得到軟著陸緩沖系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)部分的簡(jiǎn)化模型如圖5 所示。

為了驗(yàn)證仿真模型的有效性，在幾何模型的基礎(chǔ)上，建立動(dòng)力學(xué)模型， 將各支柱內(nèi)外筒之間的緩沖器簡(jiǎn)化為作用于內(nèi)外筒之間的相互作用力， 將著陸面根據(jù)不同地勢(shì)高度作為平面特征建立， 同時(shí)在足墊下端面中心及四周均勻取點(diǎn)，作為與著陸面相互作用的接觸點(diǎn)。動(dòng)力學(xué)模型如圖6 所示。

圖6 動(dòng)力學(xué)仿真模型驗(yàn)證Fig.6 Dynamic simulation model verification

（2）可靠性仿真。 采用Monte Carlo 方法，確定隨機(jī)輸入變量和輸出變量， 對(duì)軟著陸緩沖系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行仿真。 獲得數(shù)字化著陸場(chǎng)模型，如圖7 所示。

圖7 數(shù)字化著陸場(chǎng)模擬Fig.7 Digital landing simulation

匯總各著陸初始狀態(tài)參數(shù)的概率分布規(guī)律見表3。

（3）可靠性評(píng)價(jià)。由蒙特卡羅分析程序生成1000 組隨機(jī)著陸初始工況， 然后進(jìn)行著陸穩(wěn)定性仿真分析。

表3 著陸初始狀態(tài)參數(shù)概率分布規(guī)律Tab.3 Probability distribution of landing initial state parameters

以緩沖支柱壓縮行程為例，通過仿真計(jì)算，得到1000組隨機(jī)初始工況下主緩沖器壓縮行程直方圖如圖8 所示。

圖8 主緩沖器壓縮行程分布直方圖Fig.8 histogram of main buffer compression stroke distribution

在1000 組隨機(jī)工況下進(jìn)行著陸穩(wěn)定性分析，其中在13 種著陸工況下著陸器未能穩(wěn)定著陸， 即在著陸場(chǎng)上，探測(cè)器的軟著陸穩(wěn)定性可靠度為98.7%。 在13 種著陸器未能穩(wěn)定著陸情況中， 有11 種為著陸腿落入直徑為5m和3m 的凹坑后發(fā)生傾倒，另兩種情況為著陸腿碰到月面凸起導(dǎo)致輔助支柱緩沖行程超出設(shè)計(jì)值。

（4）結(jié)果分析與可靠性增長(zhǎng)。在月球探測(cè)器軟著陸緩沖系統(tǒng)可靠性分析中， 參數(shù)靈敏度可以反應(yīng)輸入變量對(duì)輸出變量的影響程度， 以便確定影響軟著陸穩(wěn)定性的關(guān)鍵輸入變量。

針對(duì)翻倒穩(wěn)定性指標(biāo)，敏感參數(shù)包括著陸面的凹坑、凸起分布狀態(tài)，探測(cè)器的水平速度與豎直速度、著陸器的姿態(tài)角。其中豎直速度與沿坡向下的水平速度越大，探測(cè)器越容易發(fā)生翻倒；坡下的兩個(gè)足墊落入凹坑，或者坡上的兩個(gè)足墊撞擊石塊時(shí)，探測(cè)器容易發(fā)生翻倒；當(dāng)俯仰角和滾轉(zhuǎn)角變大，使探測(cè)器與坡面的等效夾角變大，探測(cè)器越容易發(fā)生翻倒。

針對(duì)緩沖行程穩(wěn)定性指標(biāo)， 敏感參數(shù)包括著陸面的凹坑、凸起分布狀態(tài)，探測(cè)器的水平速度與豎直速度、著陸器的姿態(tài)角。其中豎直速度與水平速度越大，各支柱的緩沖行程越大；當(dāng)俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，使探測(cè)器與坡面的等效夾角變大，各支柱的緩沖行程越大。

針對(duì)停穩(wěn)后的姿態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo)，敏感參數(shù)包括著陸面的凹坑、凸起分布狀態(tài)，探測(cè)器的水平速度。 其中，水平速度越大，探測(cè)器停穩(wěn)后相對(duì)于著陸面的姿態(tài)角越大；探測(cè)器足墊落入凹坑或撞擊石塊都會(huì)使停穩(wěn)后的姿態(tài)角變大。

針對(duì)加速度過載穩(wěn)定性指標(biāo)， 敏感參數(shù)包括探測(cè)器的水平速度與豎直速度、著陸器的姿態(tài)角。其中豎直速度與水平速度越大，加速度過載越大；姿態(tài)角使探測(cè)器同時(shí)觸月的足墊數(shù)目變多時(shí)，加速度過載將變大。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著數(shù)字仿真技術(shù)的進(jìn)步、實(shí)物驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)的積累與產(chǎn)品可靠性評(píng)估手段的提升，基于數(shù)字仿真的可靠性測(cè)試以其模型的參數(shù)化、環(huán)境條件的數(shù)字化、分析過程的智能化、數(shù)據(jù)處理的批量化及自動(dòng)化，使得對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的測(cè)試與評(píng)估逐漸成為現(xiàn)實(shí)，形成基于智能設(shè)計(jì)的仿真測(cè)試新模式?；跀?shù)字仿真的機(jī)械產(chǎn)品可靠性測(cè)試技術(shù)，能夠在產(chǎn)品工況不可完全物理模擬時(shí)采用經(jīng)過修正的仿真模型模擬產(chǎn)品真實(shí)工作狀況，拓展可靠性測(cè)試適用場(chǎng)景。 也可以在機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)前指出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)和制造工藝提供重要依據(jù)，從而提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。 為充分利用各種試驗(yàn)信息奠定了理論基礎(chǔ)，對(duì)減少物理試驗(yàn)費(fèi)用，合理安排試驗(yàn)項(xiàng)目，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各部分的試驗(yàn)量等有重要的作用。同時(shí)可以了解產(chǎn)品的可靠性水平，為新產(chǎn)品的可靠性提升提供依據(jù)。