飞机结构件机械产品可靠性设计探究

来希雪 张伟

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722097

摘要：飞机结构件是一个复杂的系统工程，如何将机械产品全寿命周期内的开发研制、设计、制造、试验、使用、运输、保管及维修保养等各个环节顺利完成，一定时间范围内发挥其功能，引入可靠性设计技术显得更为重要。本文研究了可靠性设计技术在飞机结构件产品设计中的应用。

关键词：结构件；可靠性；优化设计

人们对于可靠性的一般理解，就是认为可靠性表示元件、组件、零件、部件、总成、机器、设备或整个系统等产品，在正常使用条件下的工作是否长期可靠，性能是否长期稳定的特性。优化设计是现代设计理念中的重要方法之一，机械强度优化设计是以数学规划为理论基础，设计过程中存在着大量的计算和优化算法，所以必须与计算机仿真技术相结合，而机械强度可靠性设计则是可靠性工程的一个重要分支，尤其对于精密机械产品来说，比如飞机更应重视机械强度的可靠性设计。

1 机械可靠性概述

随着计算机仿真技术的发展和客户对产品使用可靠性需求的不断提高，产品的可靠性设计也越来越成为产品被关注的焦点。可靠性的概念是指“产品在规定时间内，在规定的使用条件下，完成规定功能的能力或性质”。除电子产品外，飞机结构件等机械产品的可靠性设计与研究才刚刚开始。虽然国内外都投入了大量的人力物力，取得了一些的研究成果，但飞机结构较为复杂，涉及的领域较多，结构强度专业分类较细，可借鉴的试验数据较少，强度可靠性研究的范围大等潜在因素的存在，飞机结构件强度可靠性设计在实际工程中应用较慢在机械强度可靠性涉及的范围中，含有以下因素：（1）对象，可靠性问题的研究对象是产品，它是泛指的，可以是零件、部件、组件、总成、设备，甚至整个系统。（2）使用条件，包括使用时的环境条件（如温度载荷、振动、冲击、腐蚀、磨损等等）、使用方法、操作水平等预期的储存及运行条件，对其可靠性都会有很大影响。（3）规定时间，与机械强度可靠性关系非常密切的是关于使用期限的规定，因为可靠度是一个有时间性的定义。结构的强度随着使用时间的变化，应力水平会发生较大改变，材料本身属性随着时间的推移，也会发生改变。因此，必须明确时间的要求再谈可靠度设计。（4）规定功能，功能规定是指在规定的使用条件下能维持所规定的正常工作而不发生失效（或发生故障），指研究对象（产品）能在规定的功能参数下正常运行。（5）概率，飞机结构件产品机械强度可靠度是可靠性的概率表示，把可靠性用数学方法表达出来，更能量化出来可靠性优劣大小等，可靠性技术发展的根本点也是概率的大小。

2 机械可靠性设计技术

传统的飞机结构件强度可靠性设计思路大致是工程师从概念设计到三维实体建模，根据飞机飞行条件由仿真工程师做出强度分析评价，仿真工程师再设计的不断重复及优化的过程，依据机械设计工作的任务要求，采用调查研究和搜集资料的工作，参考或比照相似的任务或者较为成熟已完成的的设计方案，凭借设计工作者的工作经验，并结合想用的数据分析和计算，拟定一个初始的试用方案，并通过对方案的初步估算以确定有关参数，并评价方案的合理性和使用价值，当某些结果与任务要求不相符合时，就需要修改试用方案或者重新设计一个新的试用方案，然后继续重复上述过程；如此多次反复，直到获得满意的设计方案，整个设计活动才算完成了初始的部分，之后还要根据制造出的产品和具体使用情况和用户的反馈来继续对方案进行改进。传统的设计工作量必须花费较多的设计时间，设计周期也相应的增长，加之由于人工成本和效率的限制，往往只能在很少的几个方案中进行分析和比选。由于该情况的限制，设计周期大大增长，某种程度上限制了设计工作的效率。所以，要想实现机械设计自动化，缩短设计周期，提高设计质量，降低设计成本，就成为机械设计与发展亟需解决的迫切问题，计算机辅助设计，即机械设计CAD技术和计算机辅助分析，即机械设计CAE技术两者应运而生。

3 机械可靠性优化设计

飞机结构件是一个复杂的系统工程，可靠性优化设计技术显得更为重要。机械优化设计技术是现代设计方法中更高的要求，机械优化设计是以简单的数学规划为理论基础，设计过程中需要大量的数学计算，往往人工计算是不够的，所以必须与计算机技术相结合。机械可靠性设计则是可靠性工程的个重要分支学科：生产的产品能否很好的使用，很大程度上取决于产品的设计的可靠度情况，这才是发展可靠性设计的初衷。然而可靠性设计的目标往往只限于确保或预测所设计的机械产品在规定的使用条件下和规定的使用时间内完成规定功能的概率大小，即确保产品的。除此之外无法保证最优的设计方案，参数和工作性能，同时成本最低和实现效益的最大化因此，将最优化技术引入可靠性设计理论并与之结合起来，采用可靠性优化设计方法，才能实现满足可靠性且具有最优的设计方案。一种新的机械设计方法这就产生了，即可靠性优化设计方法。

3.1 系统可靠性的最优分配

以系统级可靠度指标为约束，将系统的可靠性指标以机械优化设计的方法分配给各个子系统和零部件，使系统的成本费用、设计周期、功能参数等指标达到最优。可靠性最优分配是机械系统设计研制过程中必须解决的一个重要问题，其目的是从整体利益出发，将有限资源充分利用，达到最优的效果。

3.2 以可靠度最大为目标的可靠性优化设计

优化设计的目标函数很多，往往需要挑选一个或多个目标函数，在机械产品可靠性优化设计时，目标函数通常可以选取机械产品的可靠度，以产品的可靠度最大来建立数学规划方程，以产品的功能或经济指标最优作为约束条件，来做可靠性优化設计。

3.3 以可靠度为约束条件的可靠性优化设计

以某些设计指标如功能参数、设计成本和设计周期等作为约束，以另一些指标如体积、大小、人机工程及质量为目标，建立可靠性优化设计的数学模型并计算最优的目标函数。

4 结论与展望

随着计算机技术快速发展，飞机结构件机械产品可靠性设计越来越为重要的摆在每一设计师面前，将是未来机械设计发展的主旋律，并且可靠性设计将更朝着标准化、信息集成化、数据网络化智能化方向发展。而且超级计算机的出现为复杂机械系统比如飞机结构件的可靠性设计分析提供有力支撑，两者相辅相成，必将不断促进机械产品可靠性的飞速发展。