產(chǎn)品的一體化方式,已經(jīng)在產(chǎn)品制造領(lǐng)域被推廣應(yīng)用。隨著電腦輔助分析手段的不斷完善,產(chǎn)品功能的設(shè)計(jì)、仿真形式的分析手段,以及可靠性分析的相關(guān)技術(shù),都有了不同程度的發(fā)展。近些年來(lái),數(shù)字化的樣機(jī)模擬方式不斷更新,這推動(dòng)了產(chǎn)品功能開發(fā)的一體化進(jìn)程,關(guān)鍵領(lǐng)域的控制性技術(shù)手段也有了一定突破。在機(jī)械設(shè)施可靠性的判斷與設(shè)計(jì)中,需要明確的重要問(wèn)題之一,就是將可靠性的判斷納入到產(chǎn)品性能的設(shè)置和模擬過(guò)程中。復(fù)雜機(jī)械可靠性的提升,以及設(shè)計(jì)流程中不同學(xué)科的協(xié)調(diào)配合,也是優(yōu)化整個(gè)設(shè)計(jì)分析模式的重要環(huán)節(jié)。隨著學(xué)科綜合方式、數(shù)字化的樣機(jī)方式,以及工程可靠性方式的逐步推進(jìn),機(jī)械可靠性的分析設(shè)計(jì)也在朝著學(xué)科整合的方向發(fā)展。
1 技術(shù)背景概述
機(jī)械產(chǎn)品的一體化設(shè)計(jì)方式,已經(jīng)有許多年的發(fā)展歷程。具體而言,這種一體化的設(shè)計(jì)模式,經(jīng)歷了C3P時(shí)期、M3P時(shí)期等重要階段,已經(jīng)逐漸發(fā)展成型。微機(jī)輔助形式的設(shè)計(jì),重點(diǎn)是建立在復(fù)雜系統(tǒng)基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)、建立在學(xué)科協(xié)調(diào)基礎(chǔ)上的優(yōu)化框架設(shè)計(jì)、建立在構(gòu)造合成基礎(chǔ)上的統(tǒng)一化模型設(shè)計(jì),以及建立在可以重復(fù)運(yùn)用的控制技術(shù)基礎(chǔ)上的樣機(jī)研制開發(fā)。這些相關(guān)技術(shù),逐步構(gòu)成了一整套的軟件工具平臺(tái)。在對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的管理上,對(duì)于產(chǎn)品數(shù)據(jù)的控制,正在逐步擴(kuò)展成PLM形式的周期管理技術(shù)手段。
微機(jī)輔助形式的分析技術(shù),推動(dòng)了機(jī)械性能的整體分析、仿真形式分析技術(shù)的改善,在技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐中取得了較好成果。最近幾年,隨著數(shù)字樣機(jī)方式的不斷更新,產(chǎn)品的性能開發(fā)領(lǐng)域取得了許多技術(shù)突破成果?煽啃匝芯抗ぷ鞯拈_展,將機(jī)械可靠性的研究與產(chǎn)品功能一體化模式開發(fā)密切結(jié)合,滿足了設(shè)計(jì)工作的現(xiàn)實(shí)需求。同時(shí),在機(jī)械分析過(guò)程中,技術(shù)人員也更傾向于考慮學(xué)科之間的整合,以及設(shè)計(jì)流程的優(yōu)化,這逐漸成為了保證復(fù)雜系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。
在機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)方面,可靠性的分析工作與產(chǎn)品性能的研究工作,是有著密切關(guān)聯(lián)的。建立在概率統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的性能分析,需要工作人員事先收集大量的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品性能信息,并逐個(gè)加以整理分析;同時(shí),還需要結(jié)合這一領(lǐng)域的工作經(jīng)驗(yàn),來(lái)完成性能設(shè)計(jì)的任務(wù),這就難以避免產(chǎn)品性能研究與可靠性研究之間的脫節(jié)現(xiàn)象。由于這一階段的分析局限于單獨(dú)的零部件和單獨(dú)學(xué)科,往往難以從綜合層面考量產(chǎn)品的整體功能。隨著學(xué)科整合技術(shù)的發(fā)展,特別是數(shù)字化的樣機(jī)方式、仿真與協(xié)調(diào)配合方式、多學(xué)科的性能優(yōu)化方式,以及可靠性技術(shù)方式的進(jìn)步,機(jī)械性能與可靠性之間的聯(lián)系逐步被確立,優(yōu)化綜合學(xué)科的設(shè)計(jì)手段成為技術(shù)發(fā)展方向。
2 樣機(jī)虛擬與新式產(chǎn)品管理
2.1 樣機(jī)虛擬
對(duì)于樣機(jī)的虛擬技術(shù),是建立在仿真化模型基礎(chǔ)上的機(jī)械設(shè)計(jì)方式,這種方式與數(shù)字化技術(shù)關(guān)系緊密。應(yīng)用層面的微機(jī)仿真和數(shù)據(jù)集成手段,有效整合了產(chǎn)品研發(fā)和模擬的過(guò)程,在人為創(chuàng)造的環(huán)境中,對(duì)機(jī)械設(shè)施的原型進(jìn)行功能的測(cè)驗(yàn)、直觀優(yōu)化、仿真制作,以及模擬應(yīng)用。這些功能的核心,是對(duì)機(jī)械性能的技術(shù)模仿,也就是CAE技術(shù)方式。
對(duì)于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的機(jī)械設(shè)施,單純依靠特定型號(hào)的軟件,是無(wú)法實(shí)現(xiàn)模擬功能的,這就需要建立組合形式的軟件平臺(tái),來(lái)構(gòu)建復(fù)合的人為模擬環(huán)境,從而對(duì)機(jī)械進(jìn)行多層目標(biāo)、多層功能的性能模仿。虛擬形式的樣機(jī),開發(fā)目的是采用仿真形式的工具,利用數(shù)據(jù)的接口技術(shù)和二次研發(fā)技術(shù),建立起符合機(jī)械幾何性質(zhì)的研發(fā)模型。樣機(jī)的模擬功能,是動(dòng)態(tài)分析和傳送機(jī)械數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)于同一模型的多重利用。通過(guò)將PDM引進(jìn)到虛擬狀態(tài)的樣機(jī)中,可以確保機(jī)械分析系統(tǒng)不同模塊之間的信息傳遞暢通,提升數(shù)據(jù)的輸送效率。
2.2 新式產(chǎn)品管理
新技術(shù)條件下的機(jī)械數(shù)據(jù)管理,也稱為PDM,包含了廣泛的適用范圍。具體而言,所有能夠轉(zhuǎn)化為微機(jī)儲(chǔ)存和分析的信息,都可以由這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。目前,這種新式的數(shù)據(jù)管理方式,已經(jīng)被運(yùn)用于多種產(chǎn)品的制造行業(yè)中;不同的制造行業(yè)依據(jù)機(jī)械的實(shí)際特征,采用不同層次的數(shù)據(jù)管理方式。
在開發(fā)機(jī)械新產(chǎn)品和采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中,PDM發(fā)揮了采集框架的功能。微機(jī)輔助形式的工具、自動(dòng)化的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、自動(dòng)化辦公,以及微機(jī)輔助形式的工藝創(chuàng)造等應(yīng)用程序,通過(guò)不同的方式,被系統(tǒng)有效集成。集成的具體方法,包括接口、封裝等;這些對(duì)象在經(jīng)過(guò)了集成環(huán)節(jié)之后,廣泛分布于制造企業(yè)的每個(gè)生產(chǎn)程序中,提升了系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行和分享性能。在這樣的模式下,機(jī)械的開發(fā)環(huán)節(jié)就得到了優(yōu)化和重新整合。
3 綜合性平臺(tái)的設(shè)置
在采用了PDM的設(shè)計(jì)軟件中,整合了不同種類的功能性軟件。我們以產(chǎn)品的應(yīng)用性能與穩(wěn)定性設(shè)計(jì)為模仿背景,確立了機(jī)械數(shù)據(jù)的管理方式。同時(shí),構(gòu)建了樣機(jī)仿真的組織形式以及不同學(xué)科的配合環(huán)境,有效實(shí)現(xiàn)模仿工具與數(shù)據(jù)管理的集合。借助PDM模式下的過(guò)程管理設(shè)備,來(lái)協(xié)調(diào)并行的模仿過(guò)程控制。這種綜合性的平臺(tái),設(shè)計(jì)理念為平衡和整合機(jī)械分析、產(chǎn)品構(gòu)造、數(shù)據(jù)采集、程序管理和產(chǎn)品特性描繪,在每個(gè)階段的設(shè)計(jì)中,產(chǎn)品信息都能形成一個(gè)封閉的環(huán)形。
機(jī)械性能與穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)整合,指的是綜合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)。在數(shù)字化的產(chǎn)品制造背景下,形成與機(jī)械設(shè)計(jì)的交互聯(lián)接,集合分析產(chǎn)品可靠性的工具,充分實(shí)現(xiàn)性能數(shù)據(jù)和可靠性信息的傳遞與融匯;機(jī)械性能與穩(wěn)定性的過(guò)程整合,指的是基于對(duì)系統(tǒng)功能的詳細(xì)分析,考慮設(shè)計(jì)和分析工作的實(shí)際需要,以重點(diǎn)項(xiàng)目為核心,建立的一種協(xié)調(diào)工作程序;機(jī)械性能與穩(wěn)定性的特性整合,是研發(fā)機(jī)械設(shè)施的重要一環(huán),也是構(gòu)成產(chǎn)品功能系統(tǒng)的重點(diǎn)部分。我們?cè)O(shè)計(jì)的平臺(tái),工作目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)機(jī)械的系統(tǒng)性功能,優(yōu)化多種專業(yè)的配合模式,在產(chǎn)品性能與可靠程度之間,尋求一個(gè)平衡點(diǎn)。
3.1 具體設(shè)計(jì)方法
機(jī)械可靠性的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì),是建立在系統(tǒng)模型、故障危害分析與故障樹研究基礎(chǔ)上的。其中,機(jī)械系統(tǒng)的可靠性,主要研究產(chǎn)品的整體體系,包含了啟動(dòng)設(shè)施、控制設(shè)施和功能執(zhí)行設(shè)施等,對(duì)這個(gè)存在特定結(jié)構(gòu)的整體建立模型,并確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。故障危害的評(píng)價(jià),性質(zhì)為定性的評(píng)價(jià),通過(guò)對(duì)危害程度的分析,來(lái)了解機(jī)械事故發(fā)生的情況。這不僅能夠起到對(duì)設(shè)計(jì)模式的指導(dǎo)作用,也能夠?yàn)楹罄m(xù)的定量化評(píng)價(jià)和模仿打下基礎(chǔ)。故障樹的研究,融合了定性與定量形式的研究,其中定量式的研究可以深刻分析故障的種類和原因,且通常與系統(tǒng)模型結(jié)合運(yùn)用。
首先是CAD模式下的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)。通過(guò)建立集成性質(zhì)的機(jī)械可靠性設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù),來(lái)采集產(chǎn)品研發(fā)中關(guān)系到可靠程度的數(shù)據(jù),并運(yùn)用這一數(shù)據(jù)庫(kù),檢測(cè)設(shè)計(jì)方式是否符合既定的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)查閱案例數(shù)據(jù),與CAD技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合,協(xié)助軟件來(lái)完成零件和加工技巧設(shè)置中的機(jī)械數(shù)據(jù)控制。運(yùn)用這種標(biāo)準(zhǔn)化的可靠性設(shè)置信息庫(kù),檢驗(yàn)機(jī)械部件的綜合性能。
其次是CAE模式下的機(jī)械配件概率設(shè)置。在三維形式的樣機(jī)和有限元仿真手段的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)信息交互和采集的模仿,進(jìn)而設(shè)計(jì)出機(jī)械設(shè)施堅(jiān)固程度的概率、機(jī)械對(duì)于腐蝕和磨損的抵抗程度概率,以及機(jī)械對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)疲勞的抵抗概率。
3.2 仿真分析方法
第一種方法是CAD模式下的FTA仿真手段。在機(jī)械設(shè)施的實(shí)際設(shè)計(jì)中,微機(jī)輔助的軟件發(fā)揮著重要功能,如較為成熟的Pro工具等。在二次研發(fā)設(shè)計(jì)工具之后,這種模塊就能夠與應(yīng)用型的軟件進(jìn)行信息的交換,以及協(xié)調(diào)設(shè)置。有效融合FTA與機(jī)械性能的設(shè)置,可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性預(yù)測(cè)與改進(jìn)目標(biāo)。
第二種方法是CAE條件下的機(jī)構(gòu)運(yùn)行性能仿真。這種仿真的確立基礎(chǔ),也是三維的樣機(jī)和有限元的仿真模型,結(jié)合了對(duì)于強(qiáng)度穩(wěn)定性的模仿,通過(guò)與軟件交流信息,并自動(dòng)模仿集成過(guò)程,來(lái)判斷機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的誤差率、模仿多剛體構(gòu)造的各種性能、模仿多柔體構(gòu)造的各種性能,并分析設(shè)施工作的可靠性。
第三種方法是CAE條件下的設(shè)施強(qiáng)度仿真。在三維的樣機(jī)和有限元的仿真模型環(huán)境下,通過(guò)模仿軟件白動(dòng)采集與交流信息的過(guò)程,來(lái)再現(xiàn)產(chǎn)品靜態(tài)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性能、模仿產(chǎn)品動(dòng)態(tài)的強(qiáng)度,并模仿產(chǎn)品在受熱時(shí)的強(qiáng)度。
第四種方法是CAE條件下的設(shè)施抗疲勞程度仿真。在三維的樣機(jī)和有限元的仿真模型環(huán)境下,通過(guò)判斷設(shè)施的強(qiáng)度大小,實(shí)現(xiàn)信息的交流與自動(dòng)數(shù)據(jù)集成的模仿,并再現(xiàn)機(jī)械對(duì)于疲勞的抵抗性能,估測(cè)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)年限。
3.3 系統(tǒng)平衡優(yōu)化
平衡并優(yōu)化機(jī)械的綜合性能,應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮如下幾種要素:
首先確定平衡因素的變化趨勢(shì)與強(qiáng)度大小。這個(gè)問(wèn)題直接關(guān)系到分析對(duì)象,因此,有必要依據(jù)機(jī)械的具體種類,以及機(jī)械的綜合功能,確立一個(gè)完整的分析系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含判斷可靠性的基本要素,并能夠依據(jù)事先確立的評(píng)判準(zhǔn)則,協(xié)助工作人員平衡機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程。
其次確定功能判斷的關(guān)鍵性指標(biāo)和權(quán)值。通過(guò)詳細(xì)分析這一領(lǐng)域的先進(jìn)研究成果,根據(jù)需要評(píng)價(jià)機(jī)械的實(shí)際范圍,來(lái)確立采集信息和評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)。在確定權(quán)值時(shí),可以選取專家打分的方式,決定處理計(jì)算過(guò)程的邏輯。
最后建立優(yōu)化的關(guān)系模型。這種模型面向權(quán)衡的機(jī)械系統(tǒng),構(gòu)建目標(biāo)為提升系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能,并提高系統(tǒng)工作的完善程度。具體而言,可以依據(jù)機(jī)械的功能模仿、可靠程度模仿和維護(hù)保養(yǎng)模仿,運(yùn)用仿真的技術(shù)措施,來(lái)分析目標(biāo)關(guān)系與模擬的方法,提升模擬的準(zhǔn)確性。
4 結(jié)束語(yǔ)
將PDM技術(shù)引進(jìn)到機(jī)械的設(shè)計(jì)過(guò)程中,結(jié)合了數(shù)字模擬技術(shù)和樣機(jī)仿真技術(shù);在此基礎(chǔ)上,分析了衡量產(chǎn)品空間構(gòu)造可靠性的具體方法。這種可靠性的研究方法,在很大程度上降低了生產(chǎn)成本,并縮短了產(chǎn)品的研發(fā)期限。以機(jī)械可靠性和機(jī)械綜合性能為分析核心的PDM系統(tǒng),集成了機(jī)械分析的數(shù)據(jù)和分析工具,有助于提升分析的準(zhǔn)確程度。同時(shí),建立了虛擬化的樣機(jī)平臺(tái),構(gòu)建統(tǒng)一形式的數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)一步減少了機(jī)械設(shè)施研發(fā)的時(shí)間,為提升產(chǎn)品的綜合性能打下基礎(chǔ)。
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本文標(biāo)題:在設(shè)計(jì)與分析機(jī)械可靠性過(guò)程中引入PDM技術(shù)
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