森林工程專業(yè)“機械可靠性設計”課程創(chuàng)新教學實踐初探

胡志棟，姜繼海

（1.東北林業(yè)大學工程技術(shù)學院，哈爾濱150040;2.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，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，包含于產(chǎn)品的規(guī)劃、設計、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。可靠性理論正是以產(chǎn)品的壽命特征作為主要研究對象的一門邊緣性學科，涉及到基礎(chǔ)學科、專業(yè)技術(shù)學科和管理學科等多學科領(lǐng)域。在美國等發(fā)達國家的許多大學都開設了和可靠性工程相關(guān)的課程和學位，還有一些相關(guān)的職業(yè)教育［1－2］。

“機械可靠性設計”的設置，是為了適應林業(yè)科技發(fā)展現(xiàn)代化的需要而開設的選修課。對于森林工程專業(yè)的學生來說，通過本課程的系統(tǒng)學習，使學生了解機械可靠性設計的基本思想和基本方法，掌握機械可靠性設計的基本知識、基本理論，熟練應用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)品設計問題進行合理的設計，并能有效的提高產(chǎn)品的設計水平和質(zhì)量，降低產(chǎn)品的成本。因此，努力探索一些創(chuàng)新性的教學方法，使學生容易理解課程的內(nèi)容，并且切實提高學生掌握和運用可靠性解決實際可靠性問題，是本課程教學過程中一項重要的工作，也是機械可靠性設計教學亟待解決一個問題。

1 可靠性工程的內(nèi)涵

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

可靠性設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計的正確性。可靠性預測是可靠性設計的重要內(nèi)容之一，除在設計階段根據(jù)掌握的設計參數(shù)分布和失效率經(jīng)驗數(shù)據(jù)預報零部件和系統(tǒng)的預期可靠度外，還可在設備運行中根據(jù)采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行失效預期分析，對設備的實際壽命和失效進行預報。系統(tǒng)可靠性分析和可靠性指標分配也是可靠性設計的重要內(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 教學內(nèi)容和方法的制定與實施

2.1 精簡教學內(nèi)容

機械可靠性設計課程的理論內(nèi)容比較枯燥，應該首先讓學生認識可靠性的重要性，并提升學生的興趣，因此通過正反兩方面的案例來引出可靠性問題，使學生充分認識到學習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，當時發(fā)射成功的概率據(jù)央視的報導是99.7%，但是據(jù)資料顯示，當時的成功概率在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)的學生來說，重點內(nèi)容就是機械可靠性設計。在講解內(nèi)容時，首先將機械可靠性設計與常規(guī)的機械設計進行比較使學生清楚可靠性設計和可靠優(yōu)化是以常規(guī)設計和常規(guī)優(yōu)化為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的一種新的設計方法。授課內(nèi)容突出一個基本理論，即應力一強度干涉理論;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計，即螺栓連接、軸、滾動軸承和圓柱彈簧。

2.2 加強教學的實踐環(huán)節(jié)

為了加強森林工程專業(yè)學生的機械可靠性設計的實踐能力，選用ANSYS軟件中的Probabilistic Design System模塊，不僅可以讓學生掌握ANSYS軟件，還可以借助可靠性分析模塊把分析結(jié)果圖形化，這樣使學生對所學內(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］。將學生分成學習小組，這樣既可以調(diào)動學生的積極性，又可以通過團隊的合作使學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計課程的教學過程內(nèi)容，加強實踐教學等幾個環(huán)節(jié)的創(chuàng)新性實踐，改變了以往學生簡單地學習機械可靠性設計這門課程的枯燥基礎(chǔ)理論的現(xiàn)象。使學生不但能夠較好地掌握該門課程的基礎(chǔ)理論，還學會了應用ANSYS對典型機械結(jié)構(gòu)/零件在具體實踐中進行可靠性設計。為學生今后從事可靠性的工程技術(shù)及科學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.美國馬里蘭大學可靠性工程教育的研究與借鑒［J］.高等教育研究學報，2000，23（3）:96 －97.

［2］陶俊勇，任志乾，陳 循.美國馬里蘭大學可靠性工程專業(yè)與課程體系建設淺析［J］.高等教育研究學報，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)工程實踐教學創(chuàng)新方法研究［J］.森林工程，2011，27（5）:94 －96