在设计与分析机械可靠性过程中引入PDM技术

摘 要：随着科技的发展，PDM技术方式也在逐步走向成熟。要提升科技产品的质量标准，首先需要解决复杂产品的设计问题；而利用特殊设备进行样品的仿真设计，就是要集合多种功能的设计和模拟工具，并探讨先进的技术手段在设计过程中的应用。基于特定的标准，开发了一套开放性强、便于随时利用、以服务为基本导向的机械可靠性分析工具，并建立了这样的集合平台。这种平台采用了产品数据控制管理的技术，也就是PDM技术，模拟虚拟化的样机来分析产品结构。文章着重探讨PDM的技术方式在设计与分析机械可靠性上的具体作用形式。

关键词：PDM技术；机械可靠性；设计分析；应用

产品的一体化方式，已经在产品制造领域被推广应用。随着电脑辅助分析手段的不断完善，产品功能的设计、仿真形式的分析手段，以及可靠性分析的相关技术，都有了不同程度的发展。近些年来，数字化的样机模拟方式不断更新，这推动了产品功能开发的一体化进程，关键领域的控制性技术手段也有了一定突破。在机械设施可靠性的判断与设计中，需要明确的重要问题之一，就是将可靠性的判断纳入到产品性能的设置和模拟过程中。复杂机械可靠性的提升，以及设计流程中不同学科的协调配合，也是优化整个设计分析模式的重要环节。随着学科综合方式、数字化的样机方式，以及工程可靠性方式的逐步推进，机械可靠性的分析设计也在朝着学科整合的方向发展。

1 技术背景概述

机械产品的一体化设计方式，已经有许多年的发展历程。具体而言，这种一体化的设计模式，经历了C3P时期、M3P时期等重要阶段，已经逐渐发展成型。微机辅助形式的设计，重点是建立在复杂系统基础上的动态化设计、建立在学科协调基础上的优化框架设计、建立在构造合成基础上的统一化模型设计，以及建立在可以重复运用的控制技术基础上的样机研制开发。这些相关技术，逐步构成了一整套的软件工具平台。在对于机械产品的管理上，对于产品数据的控制，正在逐步扩展成PLM形式的周期管理技术手段。

微机辅助形式的分析技术，推动了机械性能的整体分析、仿真形式分析技术的改善，在技术的应用实践中取得了较好成果。最近几年，随着数字样机方式的不断更新，产品的性能开发领域取得了许多技术突破成果。可靠性研究工作的开展，将机械可靠性的研究与产品功能一体化模式开发密切结合，满足了设计工作的现实需求。同时，在机械分析过程中，技术人员也更倾向于考虑学科之间的整合，以及设计流程的优化，这逐渐成为了保证复杂系统正常运转的关键。

在机械产品的研发方面，可靠性的分析工作与产品性能的研究工作，是有着密切关联的。建立在概率统计基础上的性能分析，需要工作人员事先收集大量的数据和产品性能信息，并逐个加以整理分析；同时，还需要结合这一领域的工作经验，来完成性能设计的任务，这就难以避免产品性能研究与可靠性研究之间的脱节现象。由于这一阶段的分析局限于单独的零部件和单独学科，往往难以从综合层面考量产品的整体功能。随着学科整合技术的发展，特别是数字化的样机方式、仿真与协调配合方式、多学科的性能优化方式，以及可靠性技术方式的进步，机械性能与可靠性之间的联系逐步被确立，优化综合学科的设计手段成为技术发展方向。

2 样机虚拟与新式产品管理

2.1 样机虚拟

对于样机的虚拟技术，是建立在仿真化模型基础上的机械设计方式，这种方式与数字化技术关系紧密。应用层面的微机仿真和数据集成手段，有效整合了产品研发和模拟的过程，在人为创造的环境中，对机械设施的原型进行功能的测验、直观优化、仿真制作，以及模拟应用。这些功能的核心，是对机械性能的技术模仿，也就是CAE技术方式。

对于结构较为复杂的机械设施，单纯依靠特定型号的软件，是无法实现模拟功能的，这就需要建立组合形式的软件平台，来构建复合的人为模拟环境，从而对机械进行多层目标、多层功能的性能模仿。虚拟形式的样机，开发目的是采用仿真形式的工具，利用数据的接口技术和二次研发技术，建立起符合机械几何性质的研发模型。样机的模拟功能，是动态分析和传送机械数据，实现对于同一模型的多重利用。通过将PDM引进到虚拟状态的样机中，可以确保机械分析系统不同模块之间的信息传递畅通，提升数据的输送效率。

2.2 新式产品管理

新技术条件下的机械数据管理，也称为PDM，包含了广泛的适用范围。具体而言，所有能够转化为微机储存和分析的信息，都可以由这个系统进行控制。目前，这种新式的数据管理方式，已经被运用于多种产品的制造行业中；不同的制造行业依据机械的实际特征，采用不同层次的数据管理方式。

在开发机械新产品和采集数据的过程中，PDM发挥了采集框架的功能。微机辅助形式的工具、自动化的电子产品设计、自动化办公，以及微机辅助形式的工艺创造等应用程序，通过不同的方式，被系统有效集成。集成的具体方法，包括接口、封装等；这些对象在经过了集成环节之后，广泛分布于制造企业的每个生产程序中，提升了系统的协调运行和分享性能。在这样的模式下，机械的开发环节就得到了优化和重新整合。

3 综合性平台的设置

在采用了PDM的设计软件中，整合了不同种类的功能性软件。我们以产品的应用性能与稳定性设计为模仿背景，确立了机械数据的管理方式。同时，构建了样机仿真的组织形式以及不同学科的配合环境，有效实现模仿工具与数据管理的集合。借助PDM模式下的过程管理设备，来协调并行的模仿过程控制。这种综合性的平台，设计理念为平衡和整合机械分析、产品构造、数据采集、程序管理和产品特性描绘，在每个阶段的设计中，产品信息都能形成一个封闭的环形。

机械性能与稳定性的数据整合，指的是综合设计数据和分析数据。在数字化的产品制造背景下，形成与机械设计的交互联接，集合分析产品可靠性的工具，充分实现性能数据和可靠性信息的传递与融汇；机械性能与稳定性的过程整合，指的是基于对系统功能的详细分析，考虑设计和分析工作的实际需要，以重点项目为核心，建立的一种协调工作程序；机械性能与稳定性的特性整合，是研发机械设施的重要一环，也是构成产品功能系统的重点部分。我们设计的平台，工作目标为实现机械的系统性功能，优化多种专业的配合模式，在产品性能与可靠程度之间，寻求一个平衡点。

3.1 具体设计方法

机械可靠性的协调设计，是建立在系统模型、故障危害分析与故障树研究基础上的。其中，机械系统的可靠性，主要研究产品的整体体系，包含了启动设施、控制设施和功能执行设施等，对这个存在特定结构的整体建立模型，并确定评价标准。故障危害的评价，性质为定性的评价，通过对危害程度的分析，来了解机械事故发生的情况。这不仅能够起到对设计模式的指导作用，也能够为后续的定量化评价和模仿打下基础。故障树的研究，融合了定性与定量形式的研究，其中定量式的研究可以深刻分析故障的种类和原因，且通常与系统模型结合运用。

首先是CAD模式下的设计标准检验。通过建立集成性质的机械可靠性设置数据库，来采集产品研发中关系到可靠程度的数据，并运用这一数据库，检测设计方式是否符合既定的标准。通过查阅案例数据，与CAD技术进行有机整合，协助软件来完成零件和加工技巧设置中的机械数据控制。运用这种标准化的可靠性设置信息库，检验机械部件的综合性能。

其次是CAE模式下的机械配件概率设置。在三维形式的样机和有限元仿真手段的基础上，实现信息交互和采集的模仿，进而设计出机械设施坚固程度的概率、机械对于腐蚀和磨损的抵抗程度概率，以及机械对于运转疲劳的抵抗概率。

3.2 仿真分析方法

第一种方法是CAD模式下的FTA仿真手段。在机械设施的实际设计中，微机辅助的软件发挥着重要功能，如较为成熟的Pro工具等。在二次研发设计工具之后，这种模块就能够与应用型的软件进行信息的交换，以及协调设置。有效融合FTA与机械性能的设置，可以实现产品的可靠性预测与改进目标。

第二种方法是CAE条件下的机构运行性能仿真。这种仿真的确立基础，也是三维的样机和有限元的仿真模型，结合了对于强度稳定性的模仿，通过与软件交流信息，并自动模仿集成过程，来判断机构运转的误差率、模仿多刚体构造的各种性能、模仿多柔体构造的各种性能，并分析设施工作的可靠性。

第三种方法是CAE条件下的设施强度仿真。在三维的样机和有限元的仿真模型环境下，通过模仿软件自动采集与交流信息的过程，来再现产品静态的强度与稳定性能、模仿产品动态的强度，并模仿产品在受热时的强度。

第四种方法是CAE条件下的设施抗疲劳程度仿真。在三维的样机和有限元的仿真模型环境下，通过判断设施的强度大小，实现信息的交流与自动数据集成的模仿，并再现机械对于疲劳的抵抗性能，估测机械的运转年限。

3.3 系统平衡优化

平衡并优化机械的综合性能，应当重点考虑如下几种要素：

首先确定平衡因素的变化趋势与强度大小。这个问题直接关系到分析对象，因此，有必要依据机械的具体种类，以及机械的综合功能，确立一个完整的分析系统。这个系统应当包含判断可靠性的基本要素，并能够依据事先确立的评判准则，协助工作人员平衡机械的运转过程。

其次确定功能判断的关键性指标和权值。通过详细分析这一领域的先进研究成果，根据需要评价机械的实际范围，来确立采集信息和评判的标准。在确定权值时，可以选取专家打分的方式，决定处理计算过程的逻辑。

最后建立优化的关系模型。这种模型面向权衡的机械系统，构建目标为提升系统的运转性能，并提高系统工作的完善程度。具体而言，可以依据机械的功能模仿、可靠程度模仿和维护保养模仿，运用仿真的技术措施，来分析目标关系与模拟的方法，提升模拟的准确性。

4 结束语

将PDM技术引进到机械的设计过程中，结合了数字模拟技术和样机仿真技术；在此基础上，分析了衡量产品空间构造可靠性的具体方法。这种可靠性的研究方法，在很大程度上降低了生产成本，并缩短了产品的研发期限。以机械可靠性和机械综合性能为分析核心的PDM系统，集成了机械分析的数据和分析工具，有助于提升分析的准确程度。同时，建立了虚拟化的样机平台，构建统一形式的数据库，进一步减少了机械设施研发的时间，为提升产品的综合性能打下基础。

参考文献

[1]苏多，张建国.PDM技术在机械可靠性设计分析中的应用研究[J].航空学报，2007（z1）.

[2]吴燕林.PDM技术在机械可靠性设计分析中的应用研究[J].华人时刊（下旬刊），2013（5）.

[3]吴年宇，孟刚.基于PDM技术的制造业集成框架研究[J].清华大学学报（自然科学版），2008（10）.

[4]吴含前，姜澄宇，王宁生.PDM技术的发展[J].机械设计，2010（12）.

[5]马庆槐，周怀北.一种新的PDM技术方案[J].计算机应用研究，2006（1）.

[6]李玉家，严隽琪，金烨.PDM技术的现状分析与实施策略[J].机械设计与制造工程，2011（2）.

[7]周蓉.PDM技术的现状及发展趋势[J].机械，2007（6）.

作者简介：黄兴涛（1968-）男，江苏兴化人，常州维格电子有限公司，工程师。