本刊記者 林 鷺

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

本刊記者 林 鷺

與Nawra Felix教授進(jìn)行學(xué)術(shù)交流

縫紉機、汽車變檔機制、車用直列式發(fā)動機、飛機的星形發(fā)動機、飛機螺旋槳同步射擊器、車等速萬向節(jié)等等這些動態(tài)機械無時無刻不與我們的生活親密接觸。然而，隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨復(fù)雜化、大型化、高參數(shù)化，產(chǎn)品故障機率隨之增多。我國機械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計水平與國際先進(jìn)水平相比還有相當(dāng)大的差距，這已成為制約我國機械工業(yè)迅速發(fā)展的瓶頸?？煽啃宰鳛楫a(chǎn)品質(zhì)量的主要指標(biāo)不僅引起社會大眾的關(guān)注，更受到工程界的重視。作為一名動力學(xué)研究學(xué)者，王新剛從鐵路機車車輪、車軸、轉(zhuǎn)向架和車軸承等重要部件這些細(xì)節(jié)入手，開始關(guān)注機械零部件可靠性，從此一發(fā)不可收拾，踏上了機械結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計研究與應(yīng)用的征程。

融會貫通的理論

生長在東北老工業(yè)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(shè)計，在東北大學(xué)寬闊的學(xué)術(shù)平臺上演繹了人生精彩。從機車車輪的動態(tài)疲勞可靠性研究開始，他把力學(xué)理論靈活地運用于運動中機械零部件的可靠性設(shè)計。他說：“傳統(tǒng)的機械零部件可靠性型是建立在靜態(tài)力學(xué)模型基礎(chǔ)上的，屬于靜態(tài)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(huán)境情況、荷載效應(yīng)的變化以及振動頻率、輸出響應(yīng)和能量傳遞等其它各種因素的影響，使產(chǎn)品的可靠性表現(xiàn)出了動態(tài)的特征。這種產(chǎn)品特性參數(shù)的變化通常是一個隨時間漸變的過程，而傳統(tǒng)模型下是恰恰忽略了這個重要特性?！?/p>

可是，動態(tài)可靠性遠(yuǎn)比靜態(tài)可靠性復(fù)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(biāo)，他從機械動態(tài)設(shè)計的概念入手，在概率動力學(xué)的基礎(chǔ)上，把機械零件強度、載荷、可靠度和失效率隨時間的變化規(guī)律融入統(tǒng)計理論，并應(yīng)用順序統(tǒng)計理論和隨機過程，建立了機械部件通用的動態(tài)可靠性數(shù)學(xué)模型，以此解釋復(fù)雜機械產(chǎn)品的各種失效現(xiàn)象及機理，為實現(xiàn)我國大型復(fù)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(jù)。

隨著研究的深入，他發(fā)現(xiàn)，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(shù)或設(shè)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?xí)霈F(xiàn)完全錯誤的信息。為修正原有公式的偏差，他結(jié)合靈敏度技術(shù)，采用攝動方法，以動態(tài)可靠性數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立了機械零部件動態(tài)可靠性靈敏度設(shè)計的計算模型，明確了動態(tài)可靠性靈敏度的物理意義及變化規(guī)律。

研究就是永無止境的完美追求。在先前建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上，他融入了可靠性和穩(wěn)健設(shè)計方法，建立了基于靈敏度的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型?！把芯康哪康鼐褪欠?wù)于大眾?！彼f，為能快速準(zhǔn)確地找到最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，提高機械零件的可靠性及穩(wěn)健性，他又加入了隨機攝動方法、Edgeworth級數(shù)方法及相應(yīng)的經(jīng)驗修正公式，通過計算機程序建立了集可靠性設(shè)計、靈敏度分析、優(yōu)化設(shè)計和穩(wěn)健設(shè)計為一體的機械零件動態(tài)可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型。同時，在此基礎(chǔ)上，他又發(fā)展了具有任意分布參數(shù)的機械零件動態(tài)可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)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(chǎn)品的高可靠性及穩(wěn)健性的技術(shù)難題。

成功的設(shè)計者既能敏銳把握時代脈動，又可融會貫通解決問題。在設(shè)計中，他發(fā)現(xiàn)運行中的部件結(jié)構(gòu)和工況更復(fù)雜，零部件的功能方程很難建立，隱式的功能函數(shù)又讓以前建立的數(shù)學(xué)模型求解困難，而且非線性極強，數(shù)據(jù)量較大，只有集結(jié)多種軟件，加以理論模型才能完成任務(wù)。

新發(fā)現(xiàn)激活了他探索的欲望，以部件的參數(shù)化實體模型為分析對象，按照理論推導(dǎo)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對多組數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、處理，確定出部件壽命的動態(tài)可靠度曲線，并經(jīng)Monte-Carlo法進(jìn)行了檢驗。在此基礎(chǔ)上，以靈敏度作為約束條件，他建立了相應(yīng)的動態(tài)可靠性穩(wěn)健優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，從而使復(fù)雜機械部件疲勞可靠性分析與設(shè)計最終具有了可靠的理論依據(jù)，為機械產(chǎn)品的設(shè)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(shù)支撐。

另辟溪徑的創(chuàng)新

隨著技術(shù)產(chǎn)業(yè)興起和社會生產(chǎn)力的迅速發(fā)展，國際市場竟?fàn)幍慕裹c由價格竟?fàn)庌D(zhuǎn)向質(zhì)量設(shè)計竟?fàn)?。作為機械零部件的設(shè)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(chǎn)質(zhì)量，更受限于安全可靠的設(shè)計。他認(rèn)為，“對任何機械結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)計與分析時，必須有相應(yīng)的可靠性數(shù)學(xué)模型才能得以實現(xiàn)”。在當(dāng)今機械制造及切削加工自動化系統(tǒng)不斷提高的同時，對機床極其關(guān)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(chǎn)生廢品，損壞機床和設(shè)備，使企業(yè)蒙受經(jīng)濟損失，甚至造成人員傷亡。

由于刀具的材料屬性、轉(zhuǎn)速、振動頻率、輸出響應(yīng)、能量傳遞等具有隨機不確定性和典型的動態(tài)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(jìn)行預(yù)測，所以他決定采用動態(tài)可靠及靈敏度分析技術(shù)并與現(xiàn)代數(shù)學(xué)力學(xué)理論和材料學(xué)有機地結(jié)合起來，在對刀具失效機理研究明確的前提下，通過自創(chuàng)的刀具動態(tài)可靠性數(shù)學(xué)模型，結(jié)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(shù)控車床刀具進(jìn)行了動態(tài)可靠性設(shè)計和動態(tài)可靠性靈敏度分析，從根本上解決了數(shù)控車床刀具壽命穩(wěn)定性差和平均壽命不高的現(xiàn)狀，填補了國內(nèi)外在這個領(lǐng)域的空白。由于在刀具的設(shè)計過程中就考慮了動態(tài)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(yè)每年挽回經(jīng)濟損失100余萬元。

“動車組的關(guān)鍵部件是轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)向架的核心件是構(gòu)架，它支承車體并使之在軌道上運行，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜態(tài)強度、疲勞強度的準(zhǔn)確評定和可靠性設(shè)計不可忽視”，憑著多年的研究經(jīng)驗，他及時指出京滬高速動車需要迫切解決的問題。應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計理念和仿真模型簡化方法，根據(jù)350km/h動車組轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架構(gòu)架受力的不同情況，采取逐一模態(tài)分析的方法對每種不同工況下不同部位的危險位置進(jìn)行分析，建立了構(gòu)架動態(tài)可靠性和動態(tài)剛度的計算模型，同時搭建了構(gòu)架強度及可靠性計算平臺，為提前預(yù)測轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要的失效位置，在結(jié)構(gòu)設(shè)計及加工制造過程中對其進(jìn)行補強提供了技術(shù)支撐，最終修改并完善了適合我國高鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的強度評定準(zhǔn)則，為保障京滬高速動車的運行安全提供了技術(shù)保障。同時為我國未來高速客車轉(zhuǎn)向架的發(fā)展模式、機械制造技術(shù)等工程開發(fā)提供了實用參考價值。

而針對航空事故頻頻發(fā)生的現(xiàn)況，他提出了非線性渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動態(tài)可靠性分析方法，系統(tǒng)深入地研究了航空發(fā)動機非線性渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障模式和失效位置的結(jié)構(gòu)變化，提出了非線性渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動態(tài)可靠性靈敏度分析方法。這不僅幫助設(shè)計者了解渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的改變對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可靠性的影響，同時給出了技術(shù)參數(shù)可靠性靈敏度的變化規(guī)律，為渦輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的可靠性設(shè)計提供理論依據(jù)，該理論補充和發(fā)展了隨機系統(tǒng)振動、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)和可靠性設(shè)計方法，解決了國內(nèi)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(shè)計追求上創(chuàng)造的。