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PDM技术在机械可靠性设计分析中的应用研究 |
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作者：苏多 张建国 |
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产品一体化技术至今已经发展多年，从以C3P(CAD/CAE/CAM/PDM)为代表的计算机辅助设计工具在工业界的广泛普及，到20世纪90年代中期以来，M3P (Multibody System, Mul-tidisci-plinary collaborative，Multidomain physical modeling, Product lifecycle management)的逐渐成熟，计算机辅助设计更多的强调了基于多体系统复杂机械产品的系统动态设计、基于多学科协同集成框架的优化设计、基于本构融合的多领域统一建模技术以及可重用机、电、液、控数字化功能样机分析的研究与开发，并逐步形成相关技术和软件平台工具;在设计管理方面，产品数据管理(PDM)向产品全寿命周期拓展，已形成产品全寿命周期管理( PLM)技术。
计算机辅助技术的突飞猛进，机械产品的性能一体化设计、分析仿真技术取得了显著成果;近些年来，对数字样机技术的研究和应用，产品性能一体化开发过程中的许多关键技术取得突破性进展。可靠性工程的发展，如何将可靠性纳人机械产品性能一体化设计和分析仿真过程中，工程上有着强烈的需求;同时，在一体化过程中如何考虑以可靠性为目标的多学科协同设计分析和优化也成为提高复杂系统可靠性的关键。
机械产品可靠性设计分析与性能设计分析是紧密联系、不可分割的。以往传统的基于统计概率的机械可靠性设计分析需要大量的试验数据和产品参数的采集和分析，还必须结合经验性分析来开展，性能和可靠性存在脱节的问题。而且设计分析的层面往往局限在单个部件、单学科领域，同产品整体性能综合权衡考虑结合不紧密。随着相关学科和技术的发展，如数字样机技术、协同访真技术、多学科优化技术等，使机械产品的性能与可靠性一体化协同设计、分析仿真和以可靠性为目标的多学科优化成为可能。
1虚拟样机技术
虚拟样机技术(Virtual Prototype)是一种基于仿真模型的数字化产品设计方法。应用计算机仿真和集成技术等，将分散的产品开发和仿真过程集成在一起，在虚拟环境中对产品原型进行直观形象地设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，其核心技术是性能仿真(即CAE)。对于复杂的工程对象，仅靠一两种软件是不能胜任的，需要构建由多种软件组合而成的复合型仿真环境，以便对研究对象进行多目标、多层面的性能仿真。虚拟样机最终目标是利用仿真工具的数据接口及二次开发技术，依据几何特征创建数值仿真模型，实现分析数据的共享及动态交换，尽可能做到一次建模多次调用。本文通过在虚拟样机中引人PDM技术，保证系统内各功能模块间的数据能够高效率地相互流动。
2产品数据管理
产品数据管理(Product Data Management,PDM)范围很广，凡是最终可以转换成计算机描述和存储的数据，它都可以一概管之。PDM可以广泛地应用于各工业领域中。但每个领域都有其自身的特点和需求，应用的层次要求和水平都不相同。
在产品开发的信息集成过程中，PDM系统可以被看做是起到一个集成框架的作用，各种应用程序(诸如计算机辅助工具(CAD/ CAM/CAE)、电子设计自动化(EDA)、办公自动化(OA)、计算机辅助工艺设计(CAPP)、物料需求计划(MRP)等)将通过各种各样的方式，如应用接口、开发(封装)等，直接作为一个个对象而被集成进来，使得分布在企业各个地方、在各个应用中使用(运行)的所有产品数据得以高度集成、协调、共享，所有产品研发过程得以高度优化或重组。
3基于PDM的机械产品性能与可靠性综合设计分析平台
在PDM软件框架中，高度集成了各种应用坎件。本文研究以机械产品性能与可靠性设计分行和仿真为应用背景，决定产品数据的管理模式;建立虚拟样机集成仿真团队的组织模式及协作环境:实现仿真工具与PDM的集成;利用PDM提供的过程管理器，实现并行化仿真过程的管理与协调。
本平台方案总思路体现为产品设计、分析各层次产品性能与可靠性的综合数据、流程综合、特性综合与综合权衡，以及各阶段信息闭环。性能与可靠性综合技术体系中各项技术方法的关系如图1所示。
图1 基于PDM的机械产品性能与可靠性综合设计分析平台的功能结构
(1)性能与可靠性的数据综合
主要指说计分析数据的综合。在机械产品数字化环境下，与性能设计平台交联，集成可靠性设计分析工具，实现性能设计数据、可靠性设计数据的共享与融合。
(2)性能与可靠性设计分析的流程综合
在系统性能设计与分析的基础上，结合可靠性设计与分析工作需要，围绕核心工作项目，研究协同设计分析流程，实现性能与可靠性之间的综合设计分析。
(3)性能与可靠性的特性综合与权衡
性能与可靠性是产品系统效能的两个重要组成部分，也是产品研制的重要关联因素。本平台以机械产品系统效能为目标，研究性能与可靠性多学科优化的模型与权衡方法，实现性能与可靠性综合权衡。
3. 1可靠性设计
机械产品可靠性协同设计分析的基础包括系统可靠性建模、故障模式及影响和危害性分析(FMECA)、故障树分析(FTA )。系统可靠性分析研究整个机械产品系统，包括原动装置、控制装置、执行机构等各部分的整体复杂系统可靠性模型、分析评估方法等。故障模式及影响租危害性分析(FMECA)主要是定性分析，通过分析，掌握机械产品的故障情况，不仅可以直接指导机构设计，而且也可为进一步进行机械产品可靠性的定量分析仿真奠定基础。故障树分析(FTA)既可以定性分析也可以定量分析，定量分析可以更进一步剖析机械产品的故障。一般故障树定量分析可以和系统可靠性模型联合使用。
(1)基于CAD的可靠性设计准则符合性检查
通过构建集成环境下机械产品可靠性设计准则知识库系统，收集机械产品设计过程可靠性信息，并能够利用该知识库进行可靠性设计准则符合性检验。通过实例信息查询，实现与CAD(如UG, ProE)系统集成，帮助管理由零件设计和工艺设计(CAD)系统中的机械产品零件信息，利用可靠性设计准则知识库对零件设计进行可靠性准则符合性检查。
(2)基于CAE的机械零部件概率设计
在基于三维数字样机和有限元模型基础上，通过与CAE软件(如NASTRAN, ANSYS)实现数据交互和集成仿真，实现机械产品强度断裂可靠性概率设计、机械产品磨损/腐蚀可靠性概率设计、机械产品疲劳可靠性概率设计。
3. 2可靠性分析仿真
(1)基于CAD的FMECA/FTA
现代机械产品设计过程中计算机辅助设计软件工具大量介人，比较成熟的有Unigraphics,Pro/Engineering等等，在对主流的CAD工具二次开发的基础上，该模块可实现与CAD软件实现数据交互和协同设计，将FMECA/FTA过程融人到性能设计过程中，从而实现将可靠性设计到产品方案中。
通过构建集成环境下机械产品FMECA故障知识库系统，故障工程信息查询，利用这些故障知识支持产品设计和工艺设计的优化，最终实现对产品的设计和方案的改进。
在产品设计的同时使用本系统，根据零件设计系统中的机械产品零件信息，利用故障知识库中的故障知识对零件设计进行故障分析，辅助零件设计和系统优化和改进零件设计，减少产品开发时的各种重复和反复，降低成本。
(2)基于CAE软件的机构运动可靠性分析仿真
在三维数字样机和有限元模型基础上，结合机械强度可靠性分析仿真，通过与CAE(如ADA-MS, Ls-Dyna)软件实现数据交互和自动化集成仿真，完成机构运动误差精度可靠性分析与仿真、多刚体机构运动性能可靠性分析与仿真、多柔体机构运动性能可靠性分析与仿真。
(3)基于CAE软件的机械强度可靠性分析仿真
在三维数字样机和有限元模型基础上，结合机构运动可靠性分析仿真，通过与CAE(如NAST-RAN, ANSYS)软件实现数据交互和自动化集成仿真，完成机械产品静强度可靠性分析与仿真、机械产品动强度可靠性分析与仿真、机械产品热强度可靠性分析仿真。
(4)基于CAE软件的机械疲劳可靠性分析仿真
基于三维数字样机和有限元模型，以及机构运动可靠性分析仿真和机械强度可靠性分析仿真基础上，通过与CAE(如MSC. Fatigue,FE_ safe)软件实现数据交互和自动化集成仿真，完成机械产品疲劳/断裂寿命和可靠性分析仿真。
(5)机械产品系统可靠性优化分析仿真
在机械产品系统可靠性综合权衡优化设计的基础上，结合机械产品虚拟样机，以可靠性为目标的优化，通过机械零部件概率分析和可靠性分析仿真等的结合。实现数据交互和自动化集成优化分析仿真。
性能与可靠性综合权衡和优化主要考虑以下3个方面:
①权衡因素的影响趋势与强弱的确定该问题与产品对象关系密切，拟采取按产品类型和综合特性建立一套分析判断要素的方式，并建立相关评价准则或规则来辅助用户实现综合权衡。
②权衡评价要素的建立和权值的确定调研分析国内外相关成果，依据综合权衡的对象和范围，建立评价要素集及其评价准则或规则要求。采用专家打分方法与知识学习技术建立权值确定的处理逻辑与计算方法。
③优化目标关系模型的建立面向系统级权衡，以系统效能和战备完好率等为目标，根据系统功能模型、可靠性模型和维修模型，利用仿真方法进行分析。
4工程实例应用
以某空间结构锁系可靠性设计分析为例，详细论述了基于Pro/Engineering, MSC. Patran,MSC. Nastran, MSC. Adams等CAD/CAE工具的机械可靠性设计、分析一体化方案。通过构建某空间结构锁系数字样机设计平台，完成了空间结构锁系零部件的设计、产品的装配和工程分析计算，实现可靠性设计、分析和产品管理全过程的CAD/CAE/PDM一体化解决系统。
首先开展可靠性定性分析，主要采用了故障模式及影响分析(FMEA)和故障树分析(FTA)技术;在定性分析的基础上，进行定量计算和确定性分析仿真，这里针对机械产品特点，分别开展了强度分析和动力学分析；然后在确定性分析的基础上，搭建了PDM集成框架，结合虚拟样机技术开展概率设计分析，完成定量可靠度计算;最后，结合定性分析和定量分析的结果，综合权衡并进行迭代设计分析计算，找出空间结构锁系可靠性薄弱环节，并给出了设计改进和优化方案，提高了空间结构锁系整体任务可靠度。该空间结构锁系可靠性设计分析流程如图2所示。
图2 空间结构锁可靠性设计分析流程
4. 1三维建模与设计
三维实体建模包括所有零件的三维实体造型，总成和整机装配。
(1)三维实体建模
零部件的三维造型是建成机械产品设计平台的基础，按照AutoCAD零部件设计图纸，采用Pro/E软件的三维造型模块实现。生成的零件实体包含了零件的几何信息和材料、精度等物理信息。由此生成的零件就可被后续的质量特性计算、动静干涉检查、有限元分析及结构优化、系统动力学、图面绘制及制造等工作所共用。通常，从草图人手建模容易实现参数化、标准化、系列化设计，是空间结构锁系设计平台最理想的建模方式。
(2)空间结构锁系部件的生成
完成了所有零件的三维实体造型之后，开始装配，进行结构方案布置、装配连接、完整模拟产品结构等，经干涉检查和分析，确定最终几何形状。通过参数化的三维实体建模形成的空间结构锁系零部件，当某一零件修改后，在部件中与其相关的零件也随之得到更新。
(3)空间结构锁系设计平台的建立
CAD是CAE, PDM的基础，直接影响到后续工作的实现和进行。因此，由CAD完成的空间结构锁系零部件与产品模型，不仅仅要包含高层的几何特征信息，还应有完整的非几何方面的信息，是可供CAE使用的工程分析模型。这样，才能实现CAD/CAE/PDM的高度集成。空间结构锁系经参数化三维造型、几何和非几何装配处理，形成空间结构锁系的设计平台。空间结构锁系CAD设计平台是一体化解决系统的基础和核心。
(4)空间结构锁系设计参数数据库的建立
空间结构锁系零部件及产品的标准化、系列化、通用化是建好空间结构锁系CAD设计平台的基础。设计工作不仅仅是绘图，还需要查阅大量的资料、手册，进行各种计算。必须完成所有设计资料的电子化工作。即所有设计资料进人计算机，形成空间结构锁系设计参数数据库。
在以后设计中可利用空间结构锁系平台和设计参数数据库完成空间结构锁系设计改进和优化过程。提高设计的科学性，缩短设计周期。
4. 2空间结构锁系的工程分析计算(CAE)
空间结构锁系的工程分析计算(CAE)包括:空间结构锁系主要结构件的强度分析仿真和运动学、动力学分析仿真以及强度可靠性和运动可靠性分析仿真。CAE在提高产品性能和质量过程中的重要作用越来越多地被企业和研究部门所认识，可以帮助设计人员在新产品建造和成型之前，在产品开发的早期就能了解产品的有关特性、整体质量水平、可靠性和安全性，发现设计中的问题，并及时解决。可缩短设计、研发时间，降低产品研发过程中对物理样机的依赖程度，降低产品开发成本。
(1)空间结构锁系强度分析与仿真计算
采用MSC. PATRAN进行空间结构锁系有限元建模，然后用MSC. NASTRAN强度分析仿真。为了验证计算结果的有效性，应准确地确定:①空间结构锁系实际工作载荷;②结构件不利工作位置;③机构计算模型的精确描述;④正确的计算方法。
采用有限元法，对空间结构锁系各部件进行静力学分析、动力学分析。静力学分析用来求解结构与时间无关的静力学载荷作用F的响应，并得出所需节点的位移、节点力、单元力、单元应力和应变等。
(2)空间结构锁系动力学分析仿真
在空间结构锁系三维实体模型的基础上，还考虑了三维实体给出边界约束，运动约束和施加工作载荷等，并采用MSC公司的机械系统力学自动分析软件ADAMS进行动力学建模和分析仿真，仿真分析出了空间结构锁系的运动规律，如运动仿真、运动轨迹、位移、速度、加速度、力、力矩等参数计算和干涉检查，从而把从前需要数月才能完成整机实体物理实验，缩短到数小时就能在计算机上完成。
其中采用了离散体对柔性绳索成功的进行了建模分析和仿真，提高了绳索的动力学分析效率，并且其结果得到了工程验证。
4. 3空间结构锁系产品数据管理(PDM )
PDM是帮助工程技术人员管理产品数据和产品研发过程的工具，它将所有与空间结构锁系产品相关的信息和所有与产品有关的过程集成在一起，确保跟踪设计、制造所需的大量数据和信息，并由此支持和维护产品。与空间结构锁系产品有关的信息包括任何属于产品的数据和设计变量，如CAD/CAE/PDM的文件、产品配置文件、电子表格。
一体化解决系统的中心思想是让用户在统一的空间结构锁系设计平台上实现CAD/CAE/PDM设计分析全过程，自主开发的ARAMS (机械可靠性自动分析系统)中每一个模块都基于这个设计平台，有统一的界面和统一的数据库，充分发挥空间结构锁系设计平台的功效，为开发新产品、改进老产品、缩短产品设计周期、提高产品性能和可靠性打下基础。空间结构锁系参数化可靠性分析仿真PDM集成方案如图3所示。
图3 空间结构锁可靠性分析仿真集成方案
该方案利用PDM技术，集成二维建模工具UG、动力学仿真工具ADAMS、有限元建模仿真工具PA-TRAM/NASTRAN以及自主研发的机械系统可靠度分析软件ARAMS，可以方便实现各软件工具之间的数据交换和共享，形成了机械产品可靠性设计分析一体化解决系统，具有一定的通用性。
4. 4空间结构锁系强度和动力学可靠性分析仿真
通过试验数据和分析对比，保证了确定性分析结果的有效性的基础上，空间结构锁系可靠性设计分析流程如图4所示。
图4 空间结构锁系可靠性分析流程
其中参数灵敏度分析是非常重要的一个环节，对于提高可靠性分析效率非常有效，缩短设计分析周期，增强该技术的工程实用性。首先，通过设计参数灵敏度分析，确定影响机构规定功能的主要参数，然后对这些参数进行重点监控和设计优化。
空间结构锁系机构可靠性分析在常规确定性强度分析、动力学分析和参数灵敏度分析的基础上，利用自主开发的ARAMS系统进行空问结构锁系机构可靠性分析仿真计算，最后得出用户需求的可靠度等可靠性参数。
限于篇幅，只以主动锁钩中异常变形故障模式为例，简要说明计算过程。
(1)随机变量及其统计参数
以主动锁钩为例，根据其结构和工作要求，选择外载荷、材料的弹性模量、屈服极限、强度极限、泊松比作为随机变量。温度对锁钩力学性能影响很小，因此变量中不包含温度变量。
(2)设定功能函数
主动锁钩异常变形的功能函数为G(E,P,R,F)=R一f(E,P,F)其中，f(E,P,F)采用响应面方法构建，该响应面是通过IDM平台迭代调用有限元软件NAST-RAN以及动力学仿真分析软件ADAMS求出。
(3)计算方法及结果分析
本文分析的零件可靠度计算都需要调用外部有限元和动力学分析软件，功能函数属于隐式函数，采用的算法包括:改进均值法加(AMV+)、蒙特卡罗法(MONTE)和响应面法(RSM)。
理论上蒙特卡罗法的计算结果最为准确，但消耗的计算资源和仿真时间最多，特别是对可靠度很高的零件将耗费大量的计算资源，可作为部分零件的验证算法，但不建议大量采用;响应面法计算效率最高，但计算精度较低;改进均值法的计算结果最接近于蒙特卡罗仿真结果，在使用双CPU工作站的情况下其耗费的计算时间也可以接受。因此，本文推荐采用改进均值法加(AMV+)。
(4)概率灵敏度分析
通过概率灵敏度分析，可以找出对失效概率影响较大的随机变量，从而提供改进产品设计、提高可靠度的最佳途径。图5中，深色柱状图代表对随机变量均值扰动的灵敏度分析结果，浅色柱状图代表对随机变量变异系数扰动的灵敏度分析结果。
图5 主动锁钩异常变形失效模式的灵敏度分析结果
从图5中可以看出，主动锁钩外载荷和材料的屈服极限属于比较灵敏的随机变量，特别是外载荷的变异系数对可靠度影响最大，在设计改进时应作为主要因素加以重视;泊松比对失效概率影响较小，弹性模量对失效概率的影响几乎没有，在设计改进时可以作为次要因素。
利用该PDM平台，自动高效的对所有故障模式进行了可靠度仿真计算和概率灵敏度分析，改进和提高空间结构锁系机构可靠性提供了依据。
5结束语
(1)本文提出了一种利用PDM技术结合数字虚拟样机技术对空间结构锁系机构进行可靠度分析计算的方法，解决了该方法应用中的关键技术，降低了成本，缩短设计周期。
(2)通过自主研发面向机械产品性能与可靠性PDM综合设计分析系统—ARAMS，实现了机械产品性能与可靠性PDM综合设计分析的工具集成和数据集成。
(3)通过应用于空间结构锁系可靠性设计分析，验证了该平台方案的可行性。实现了机械产品协同设计和分析过程的统一，基于虚拟样机平台，搭建了统一的数据库，缩短产品设计研制周期，为提高产品的性能和可靠性打下基础。
(4)该CAD/CAE/PDM一体化系统方案实现了多学科的协同设计与协同分析，通过对多种商业软件的自动集成，实现了实体几何模型建立、动力学分析、有限元分析、灵敏度分析以及可靠度分析仿真计算过程的数据集成，并且得到了工程检验。该系统和方法可以推广到通用机械可靠性设计分析过程中。(end)
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(9/27/2010) |
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