基于數字仿真的機械產品可靠性測試研究

尚延鵬， 王云鋒， 李海斌， 潘康華， 辛明哲

（中機生產力促進中心， 北京 100044）

0 引言

隨著智能制造的發展，機械產品設計、制造過程已逐步實現數字化，但目前可靠性測試仍以實物驗證為主，未能形成機械產品設計、 測試、 制造全面數字化的完整閉環，機械產品研發周期長、成本高，嚴重制約了當前企業生產效率和經濟效益的提高， 阻礙了企業國際競爭力的進一步提升。

尤其我國航空航天、 軌道交通等領域的產品復雜程度越來越高，產品的工作環境越來越嚴苛，壽命要求越來越長，其性能和可靠性保證難度也越來越大，傳統的通過實物試驗暴露產品缺陷、實現產品改進的測試評價模式，不論是在產品高質量保證， 還是研制成本與周期等方面均已無法滿足當前及未來發展的迫切需求。 同時，傳統實物可靠性測試方法難以驗證復雜環境因素如超高真空、超低溫等對產品性能的影響。 而基于數字仿真的可靠性測試方法可以通過參數化建模、仿真模型修正、數字化試驗，有效模擬環境因素對產品性能的影響，快速實現產品可靠性驗證與評價， 促進企業提質增效和核心競爭力的提升。

1 數字仿真工況分析

基于數字仿真的可靠性測試是以產品的數字模型為基礎， 通過數字仿真對產品在規定的壽命周期及預期的使用環境下保持規定功能的能力進行全面測試與評價的一系列活動，是實現產品設計、測試、制造全鏈條數字化的關鍵環節，是提高產品質量的有效手段，是《國家智能制造標準體系建設指南（2018 版）》的重點方向之一。

在國內機械行業， 基于數字仿真的機械產品可靠性測試通常存在兩種應用場景[1，2]：①產品工況可完全通過物理手段進行模擬， 即產品的工作環境完全能夠通過物理手段進行模擬，并以物理手段進行驗證；②產品工況不可完全通過物理手段進行模擬， 即在基于數字仿真的可靠性測試過程中所進行的物理試驗條件難以與產品實際工作狀態完全一致，如深空探測等，需經過修正的仿真模型模擬產品真實工作狀況，拓展可靠性測試適用場景。

2 數字仿真流程

2.1 可完全物理模擬場景

在可完全物理模擬場景下， 產品的工作環境完全能夠通過物理手段進行模擬， 在進行產品仿真模型修正與可靠性評價過程中均可直接利用物理試驗數據。 其數字仿真流程如圖1 所示。

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

可完全物理模擬場景下機械產品數字仿真流程如下：

（1）模型建立。設計人員通過CAD 或CAE 軟件，按照面向可靠性測試的理念進行模型創建，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、機械產品設計參數、模型輸出接口等內容，確保數據的準確性、仿真模型的可分析性、分析方法的可操作性、實現的經濟性等內容進行確認。

（3）可靠性評價。在得到可完全物理模擬場景下的可靠性仿真結果以后，應進行仿真結果的正確性驗證，驗證過程應當重點關注仿真結果與測試結果是否符合檢驗過程與可靠性評價過程中對數據類型的相關要求[1]。

（4）結果分析與可靠性增長要求。在得到可靠性評價結果后， 需根據評價結果判斷機械產品是否滿足設定的可靠性要求。若產品可靠性不滿足預期指標，則需結合數字仿真積累的大量數據， 對產品的可靠性串并聯關系進行調整，而后對其進行仿真與可靠性評價，直至其滿足可靠性要求，最終實現產品的可靠性增長。

2.2 不可完全物理模擬場景

相比于可完全物理模擬場景， 不可完全物理模擬場景在基于數字仿真的可靠性測試過程中所進行的物理試驗條件難以與產品實際工作狀態完全一致。 因此其仿真模型建立及可靠性評價過程與工況可完全物理模擬場景有一定差異，其數字仿真流程如圖2 所示。

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

不可完全物理模擬場景下機械產品數字仿真流程如下：

（1）模型建立。 相比于可完全物理模擬，不可完全物理模擬場景下，產品實際工作環境特殊，難以通過物理手段進行模擬。但工程實際要求對仿真模型進行驗證，因此需進行非實際工作環境下， 開展針對仿真模型的物理驗證。針對不可完全物理模擬場景下的仿真模型建立，需按照物理試驗條件建立額外的仿真模型， 經過仿真模型質量檢驗保證仿真模型準確性后， 建立實際工作狀態下的仿真模型，并依照規范輸出定義，進入仿真分析流程[3]。

（2）仿真過程與方法。工況可完全物理模擬場景下可靠性測試相同。

（3）可靠性評價。區別于可完全物理模擬場景下的數字仿真可靠性評價流程， 不可完全物理模擬場景下的可靠性評價， 應使用物理試驗條件下的測試數據對相應條件下的仿真數據進行檢驗， 檢驗通過后表明仿真數據的正確性， 再使用實際工作條件下的仿真數據完成可靠性評價[4]。

（4）結果分析與可靠性增長要求。與可靠性增長要求與工況可完全物理模擬場景下可靠性測試相同。

3 實例

3.1 可完全物理模擬場景

某柴油機EGR 系統分為廢氣取氣管、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體固定。 如圖3 所示。

圖3 某柴油機EGR 系統三維CAD 模型Fig.3 Three-dimensional CAD model of a diesel engine EGR system

（1）仿真模型構建。 以三維CAD 模型為基礎，建立EGR 系統有限元仿真分析模型，對EGR 系統進行網格劃分，共計143105 個網格，287423 個節點。

（2）可靠性仿真分析。 為了更好的模擬EGR 系統實際結構，需按照實際約束方式進行模態特征分析。建立完整的EGR 系統有限元仿真模型之后，采用有限元計算軟件求解EGR 系統低階固有頻率，各階振型如圖4 所示。

圖4 EGR 系統約束模態仿真計算結果Fig.4 EGR system constrained modal simulation calculation results

（3）可靠性評價。 在可靠性仿真分析，得到系統結構振動固有特性，表1 列出了EGR 系統的前五階模態固有頻率和阻尼比。

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

（4）結果分析與可靠性增長。 將模態仿真分析結果、模態試驗結果與振動分析試驗結果進行對比， 如表2 所示，EGR 系統仿真模型第一階固有頻率為189.8Hz， 表現為EGR 系統繞X 軸擺動；模態試驗測得第一階固有頻率為182.7Hz，表現為繞X 軸擺動，兩者偏差在3.5%之內。振動分析得出的第一階固有頻率為165Hz， 模態試驗測得第一階固有頻率為182.7Hz，兩者偏差在10%，差別較大；原因在于模態試驗是在柴油機靜止狀態下進行的，而振動分析試驗是在柴油機實際運行狀態下進行的，EGR管路連接狀態存在差別。 柴油機實際運行時EGR 系統受到溫度、流體等因素的影響，其固有頻率會略有所下降。

表2 仿真分析、試驗分析與實際振動分析結果對比Tab.2 Comparison of simulation analysis，test analysis and actual vibration analysis results

3.2 不可完全物理模擬場景

以月球探測器為例， 其主要由探測器主體結構及4套軟著陸緩沖系統組成，如圖5 所示。

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

（1）仿真模型構建。 以三維CAD 模型為基礎，軟著陸緩沖系統的各構件同樣簡化為剛體， 得到軟著陸緩沖系統的機構部分的簡化模型如圖5 所示。

為了驗證仿真模型的有效性，在幾何模型的基礎上，建立動力學模型， 將各支柱內外筒之間的緩沖器簡化為作用于內外筒之間的相互作用力， 將著陸面根據不同地勢高度作為平面特征建立， 同時在足墊下端面中心及四周均勻取點，作為與著陸面相互作用的接觸點。動力學模型如圖6 所示。

圖6 動力學仿真模型驗證Fig.6 Dynamic simulation model verification

（2）可靠性仿真。 采用Monte Carlo 方法，確定隨機輸入變量和輸出變量， 對軟著陸緩沖系統的可靠性進行仿真。 獲得數字化著陸場模型，如圖7 所示。

圖7 數字化著陸場模擬Fig.7 Digital landing simulation

匯總各著陸初始狀態參數的概率分布規律見表3。

（3）可靠性評價。由蒙特卡羅分析程序生成1000 組隨機著陸初始工況， 然后進行著陸穩定性仿真分析。

表3 著陸初始狀態參數概率分布規律Tab.3 Probability distribution of landing initial state parameters

以緩沖支柱壓縮行程為例，通過仿真計算，得到1000組隨機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 組隨機工況下進行著陸穩定性分析，其中在13 種著陸工況下著陸器未能穩定著陸， 即在著陸場上，探測器的軟著陸穩定性可靠度為98.7%。 在13 種著陸器未能穩定著陸情況中， 有11 種為著陸腿落入直徑為5m和3m 的凹坑后發生傾倒，另兩種情況為著陸腿碰到月面凸起導致輔助支柱緩沖行程超出設計值。

（4）結果分析與可靠性增長。在月球探測器軟著陸緩沖系統可靠性分析中， 參數靈敏度可以反應輸入變量對輸出變量的影響程度， 以便確定影響軟著陸穩定性的關鍵輸入變量。

針對翻倒穩定性指標，敏感參數包括著陸面的凹坑、凸起分布狀態，探測器的水平速度與豎直速度、著陸器的姿態角。其中豎直速度與沿坡向下的水平速度越大，探測器越容易發生翻倒；坡下的兩個足墊落入凹坑，或者坡上的兩個足墊撞擊石塊時，探測器容易發生翻倒；當俯仰角和滾轉角變大，使探測器與坡面的等效夾角變大，探測器越容易發生翻倒。

針對緩沖行程穩定性指標， 敏感參數包括著陸面的凹坑、凸起分布狀態，探測器的水平速度與豎直速度、著陸器的姿態角。其中豎直速度與水平速度越大，各支柱的緩沖行程越大；當俯仰角和滾轉角，使探測器與坡面的等效夾角變大，各支柱的緩沖行程越大。

針對停穩后的姿態穩定性指標，敏感參數包括著陸面的凹坑、凸起分布狀態，探測器的水平速度。 其中，水平速度越大，探測器停穩后相對于著陸面的姿態角越大；探測器足墊落入凹坑或撞擊石塊都會使停穩后的姿態角變大。

針對加速度過載穩定性指標， 敏感參數包括探測器的水平速度與豎直速度、著陸器的姿態角。其中豎直速度與水平速度越大，加速度過載越大；姿態角使探測器同時觸月的足墊數目變多時，加速度過載將變大。

4 結語

隨著數字仿真技術的進步、實物驗證經驗的積累與產品可靠性評估手段的提升，基于數字仿真的可靠性測試以其模型的參數化、環境條件的數字化、分析過程的智能化、數據處理的批量化及自動化，使得對產品的可靠性進行全面、準確的測試與評估逐漸成為現實，形成基于智能設計的仿真測試新模式。基于數字仿真的機械產品可靠性測試技術，能夠在產品工況不可完全物理模擬時采用經過修正的仿真模型模擬產品真實工作狀況，拓展可靠性測試適用場景。 也可以在機械產品生產環節前指出產品的薄弱環節，為改進設計和制造工藝提供重要依據，從而提高了產品的生產效率。 為充分利用各種試驗信息奠定了理論基礎，對減少物理試驗費用，合理安排試驗項目，協調系統中各部分的試驗量等有重要的作用。同時可以了解產品的可靠性水平，為新產品的可靠性提升提供依據。