做機械零部件完美可靠的設計師
——記東北大學秦皇島分校機械可靠性與動力學研究中心副教授王新剛

本刊記者 林 鷺

做機械零部件完美可靠的設計師
——記東北大學秦皇島分校機械可靠性與動力學研究中心副教授王新剛

本刊記者 林 鷺

與Nawra Felix教授進行學術交流

縫紉機、汽車變檔機制、車用直列式發動機、飛機的星形發動機、飛機螺旋槳同步射擊器、車等速萬向節等等這些動態機械無時無刻不與我們的生活親密接觸。然而，隨著現代化工業技術的飛速發展，機械產品日趨復雜化、大型化、高參數化，產品故障機率隨之增多。我國機械產品的可靠性設計水平與國際先進水平相比還有相當大的差距，這已成為制約我國機械工業迅速發展的瓶頸。可靠性作為產品質量的主要指標不僅引起社會大眾的關注，更受到工程界的重視。作為一名動力學研究學者，王新剛從鐵路機車車輪、車軸、轉向架和車軸承等重要部件這些細節入手，開始關注機械零部件可靠性，從此一發不可收拾，踏上了機械結構可靠性設計研究與應用的征程。

融會貫通的理論

生長在東北老工業基地的王新剛始終對各種機械部件情有獨鐘，在讀博時就確定了自己的研究方向——機械可靠性設計，在東北大學寬闊的學術平臺上演繹了人生精彩。從機車車輪的動態疲勞可靠性研究開始，他把力學理論靈活地運用于運動中機械零部件的可靠性設計。他說：“傳統的機械零部件可靠性型是建立在靜態力學模型基礎上的，屬于靜態可靠性范疇。實際上機械零部件因使用期限長，并受自身材料性能、所處環境情況、荷載效應的變化以及振動頻率、輸出響應和能量傳遞等其它各種因素的影響，使產品的可靠性表現出了動態的特征。這種產品特性參數的變化通常是一個隨時間漸變的過程，而傳統模型下是恰恰忽略了這個重要特性。”

可是，動態可靠性遠比靜態可靠性復雜得多。為了彌補這種缺失并確立運動、振動或強度退化狀況下的可靠性指標，他從機械動態設計的概念入手，在概率動力學的基礎上，把機械零件強度、載荷、可靠度和失效率隨時間的變化規律融入統計理論，并應用順序統計理論和隨機過程，建立了機械部件通用的動態可靠性數學模型，以此解釋復雜機械產品的各種失效現象及機理，為實現我國大型復雜裝備安全可靠運行，以及提升機械裝備可靠性提供了重要的理論依據。

隨著研究的深入，他發現，原有的可靠性靈敏度公式在功能方程線性或非線性不強的情況下是實用的。但是如果在強非線性情況下，采用差分或攝動計算來代替微分時，參數或設計變量的變化量取的過大或過小都會影響可靠性靈敏度分析的精度，甚至會出現完全錯誤的信息。為修正原有公式的偏差，他結合靈敏度技術，采用攝動方法，以動態可靠性數學模型為基礎，建立了機械零部件動態可靠性靈敏度設計的計算模型，明確了動態可靠性靈敏度的物理意義及變化規律。

研究就是永無止境的完美追求。在先前建立的數學模型基礎之上，他融入了可靠性和穩健設計方法，建立了基于靈敏度的穩健優化設計數學模型。“研究的目地就是服務于大眾。”他說，為能快速準確地找到最優設計參數，提高機械零件的可靠性及穩健性，他又加入了隨機攝動方法、Edgeworth級數方法及相應的經驗修正公式，通過計算機程序建立了集可靠性設計、靈敏度分析、優化設計和穩健設計為一體的機械零件動態可靠性穩健優化設計數學模型。同時，在此基礎上，他又發展了具有任意分布參數的機械零件動態可靠性穩健優化設計理論，解決了隨機變量在概率信息缺失的情況下如何保證機械產品的高可靠性及穩健性的技術難題。

成功的設計者既能敏銳把握時代脈動，又可融會貫通解決問題。在設計中，他發現運行中的部件結構和工況更復雜，零部件的功能方程很難建立，隱式的功能函數又讓以前建立的數學模型求解困難，而且非線性極強，數據量較大，只有集結多種軟件，加以理論模型才能完成任務。

新發現激活了他探索的欲望，以部件的參數化實體模型為分析對象，按照理論推導和有限元方法，他順藤摸瓜找到了部件在載荷-時間歷程中靜載下和動載下的危險部位，借助于iSIGHT平臺，利用BP神經網絡和相應的數學模型，對多組數據進行篩選、處理，確定出部件壽命的動態可靠度曲線，并經Monte-Carlo法進行了檢驗。在此基礎上，以靈敏度作為約束條件，他建立了相應的動態可靠性穩健優化數學模型，從而使復雜機械部件疲勞可靠性分析與設計最終具有了可靠的理論依據，為機械產品的設計、制造、使用全壽命周期的可靠性工作提供堅實的理論與技術支撐。

另辟溪徑的創新

隨著技術產業興起和社會生產力的迅速發展，國際市場竟爭的焦點由價格竟爭轉向質量設計竟爭。作為機械零部件的設計者，王新剛深知，機械零部件這種大眾化“消費品”的受歡迎程度不僅取決于生產質量，更受限于安全可靠的設計。他認為，“對任何機械結構或系統進行可靠性設計與分析時，必須有相應的可靠性數學模型才能得以實現”。在當今機械制造及切削加工自動化系統不斷提高的同時，對機床極其關鍵功能部件的可靠性要求也越來越高。例如刀具可靠性差會產生廢品，損壞機床和設備，使企業蒙受經濟損失，甚至造成人員傷亡。

由于刀具的材料屬性、轉速、振動頻率、輸出響應、能量傳遞等具有隨機不確定性和典型的動態特性，難以在實際中找到有效辦法對刀具的可靠性及壽命進行預測，所以他決定采用動態可靠及靈敏度分析技術并與現代數學力學理論和材料學有機地結合起來，在對刀具失效機理研究明確的前提下，通過自創的刀具動態可靠性數學模型，結合刀具的失效機理和特點，在磨損和破損兩種失效模式下，對數控車床刀具進行了動態可靠性設計和動態可靠性靈敏度分析，從根本上解決了數控車床刀具壽命穩定性差和平均壽命不高的現狀，填補了國內外在這個領域的空白。由于在刀具的設計過程中就考慮了動態工作中的安全性，從而大大降低了刀具服役期間的失效概率，提高了刀具耐用度，保證了被加工零部件的工藝要求，降低了廢品率，可為中型機械加工企業每年挽回經濟損失100余萬元。

“動車組的關鍵部件是轉向架，轉向架的核心件是構架，它支承車體并使之在軌道上運行，轉向架構架的靜態強度、疲勞強度的準確評定和可靠性設計不可忽視”，憑著多年的研究經驗，他及時指出京滬高速動車需要迫切解決的問題。應用結構設計理念和仿真模型簡化方法，根據350km/h動車組轉向架各零部件工程圖和裝配圖，他建立了三維實體模型，在這個模型中他針對轉向架構架受力的不同情況，采取逐一模態分析的方法對每種不同工況下不同部位的危險位置進行分析，建立了構架動態可靠性和動態剛度的計算模型，同時搭建了構架強度及可靠性計算平臺，為提前預測轉向架構架主要的失效位置，在結構設計及加工制造過程中對其進行補強提供了技術支撐，最終修改并完善了適合我國高鐵轉向架構架的強度評定準則，為保障京滬高速動車的運行安全提供了技術保障。同時為我國未來高速客車轉向架的發展模式、機械制造技術等工程開發提供了實用參考價值。

而針對航空事故頻頻發生的現況，他提出了非線性渦輪轉子系統的動態可靠性分析方法，系統深入地研究了航空發動機非線性渦輪轉子系統的故障模式和失效位置的結構變化，提出了非線性渦輪轉子系統動態可靠性靈敏度分析方法。這不僅幫助設計者了解渦輪轉子系統設計參數的改變對轉子系統可靠性的影響，同時給出了技術參數可靠性靈敏度的變化規律，為渦輪轉子系統的可靠性設計提供理論依據，該理論補充和發展了隨機系統振動、轉子系統動力學和可靠性設計方法，解決了國內外這方面的難題，保障了航行安全。

不積跬步無以至千里，不積小流無以成江海。王新剛的成功，也正是他基于對每個機械零部件完美可靠的設計追求上創造的。