飛機結構件機械產品可靠性設計探究

來希雪 張偉

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722097

摘要：飛機結構件是一個復雜的系統工程，如何將機械產品全壽命周期內的開發研制、設計、制造、試驗、使用、運輸、保管及維修保養等各個環節順利完成，一定時間范圍內發揮其功能，引入可靠性設計技術顯得更為重要。本文研究了可靠性設計技術在飛機結構件產品設計中的應用。

關鍵詞：結構件；可靠性；優化設計

人們對于可靠性的一般理解，就是認為可靠性表示元件、組件、零件、部件、總成、機器、設備或整個系統等產品，在正常使用條件下的工作是否長期可靠，性能是否長期穩定的特性。優化設計是現代設計理念中的重要方法之一，機械強度優化設計是以數學規劃為理論基礎，設計過程中存在著大量的計算和優化算法，所以必須與計算機仿真技術相結合，而機械強度可靠性設計則是可靠性工程的一個重要分支，尤其對于精密機械產品來說，比如飛機更應重視機械強度的可靠性設計。

1 機械可靠性概述

隨著計算機仿真技術的發展和客戶對產品使用可靠性需求的不斷提高，產品的可靠性設計也越來越成為產品被關注的焦點?？煽啃缘母拍钍侵浮爱a品在規定時間內，在規定的使用條件下，完成規定功能的能力或性質”。除電子產品外，飛機結構件等機械產品的可靠性設計與研究才剛剛開始。雖然國內外都投入了大量的人力物力，取得了一些的研究成果，但飛機結構較為復雜，涉及的領域較多，結構強度專業分類較細，可借鑒的試驗數據較少，強度可靠性研究的范圍大等潛在因素的存在，飛機結構件強度可靠性設計在實際工程中應用較慢在機械強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品，它是泛指的，可以是零件、部件、組件、總成、設備，甚至整個系統。（2）使用條件，包括使用時的環境條件（如溫度載荷、振動、沖擊、腐蝕、磨損等等）、使用方法、操作水平等預期的儲存及運行條件，對其可靠性都會有很大影響。（3）規定時間，與機械強度可靠性關系非常密切的是關于使用期限的規定，因為可靠度是一個有時間性的定義。結構的強度隨著使用時間的變化，應力水平會發生較大改變，材料本身屬性隨著時間的推移，也會發生改變。因此，必須明確時間的要求再談可靠度設計。（4）規定功能，功能規定是指在規定的使用條件下能維持所規定的正常工作而不發生失效（或發生故障），指研究對象（產品）能在規定的功能參數下正常運行。（5）概率，飛機結構件產品機械強度可靠度是可靠性的概率表示，把可靠性用數學方法表達出來，更能量化出來可靠性優劣大小等，可靠性技術發展的根本點也是概率的大小。

2 機械可靠性設計技術

傳統的飛機結構件強度可靠性設計思路大致是工程師從概念設計到三維實體建模，根據飛機飛行條件由仿真工程師做出強度分析評價，仿真工程師再設計的不斷重復及優化的過程，依據機械設計工作的任務要求，采用調查研究和搜集資料的工作，參考或比照相似的任務或者較為成熟已完成的的設計方案，憑借設計工作者的工作經驗，并結合想用的數據分析和計算，擬定一個初始的試用方案，并通過對方案的初步估算以確定有關參數，并評價方案的合理性和使用價值，當某些結果與任務要求不相符合時，就需要修改試用方案或者重新設計一個新的試用方案，然后繼續重復上述過程；如此多次反復，直到獲得滿意的設計方案，整個設計活動才算完成了初始的部分，之后還要根據制造出的產品和具體使用情況和用戶的反饋來繼續對方案進行改進。傳統的設計工作量必須花費較多的設計時間，設計周期也相應的增長，加之由于人工成本和效率的限制，往往只能在很少的幾個方案中進行分析和比選。由于該情況的限制，設計周期大大增長，某種程度上限制了設計工作的效率。所以，要想實現機械設計自動化，縮短設計周期，提高設計質量，降低設計成本，就成為機械設計與發展亟需解決的迫切問題，計算機輔助設計，即機械設計CAD技術和計算機輔助分析，即機械設計CAE技術兩者應運而生。

3 機械可靠性優化設計

飛機結構件是一個復雜的系統工程，可靠性優化設計技術顯得更為重要。機械優化設計技術是現代設計方法中更高的要求，機械優化設計是以簡單的數學規劃為理論基礎，設計過程中需要大量的數學計算，往往人工計算是不夠的，所以必須與計算機技術相結合。機械可靠性設計則是可靠性工程的個重要分支學科：生產的產品能否很好的使用，很大程度上取決于產品的設計的可靠度情況，這才是發展可靠性設計的初衷。然而可靠性設計的目標往往只限于確保或預測所設計的機械產品在規定的使用條件下和規定的使用時間內完成規定功能的概率大小，即確保產品的。除此之外無法保證最優的設計方案，參數和工作性能，同時成本最低和實現效益的最大化因此，將最優化技術引入可靠性設計理論并與之結合起來，采用可靠性優化設計方法，才能實現滿足可靠性且具有最優的設計方案。一種新的機械設計方法這就產生了，即可靠性優化設計方法。

3.1 系統可靠性的最優分配

以系統級可靠度指標為約束，將系統的可靠性指標以機械優化設計的方法分配給各個子系統和零部件，使系統的成本費用、設計周期、功能參數等指標達到最優。可靠性最優分配是機械系統設計研制過程中必須解決的一個重要問題，其目的是從整體利益出發，將有限資源充分利用，達到最優的效果。

3.2 以可靠度最大為目標的可靠性優化設計

優化設計的目標函數很多，往往需要挑選一個或多個目標函數，在機械產品可靠性優化設計時，目標函數通?？梢赃x取機械產品的可靠度，以產品的可靠度最大來建立數學規劃方程，以產品的功能或經濟指標最優作為約束條件，來做可靠性優化設計。

3.3 以可靠度為約束條件的可靠性優化設計

以某些設計指標如功能參數、設計成本和設計周期等作為約束，以另一些指標如體積、大小、人機工程及質量為目標，建立可靠性優化設計的數學模型并計算最優的目標函數。

4 結論與展望

隨著計算機技術快速發展，飛機結構件機械產品可靠性設計越來越為重要的擺在每一設計師面前，將是未來機械設計發展的主旋律，并且可靠性設計將更朝著標準化、信息集成化、數據網絡化智能化方向發展。而且超級計算機的出現為復雜機械系統比如飛機結構件的可靠性設計分析提供有力支撐，兩者相輔相成，必將不斷促進機械產品可靠性的飛速發展。