可靠性仿真技術(shù)背景介紹

當(dāng)前全球科技水平的不斷提升使得航空航天、軍事裝備等行業(yè)得到空前發(fā)展,。高科技產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、系統(tǒng)組成龐大、研發(fā)周期長(zhǎng)費(fèi)用高,、可靠性問(wèn)題突出,。傳統(tǒng)的基于統(tǒng)計(jì)的可靠性設(shè)計(jì)分析方法，與性能設(shè)計(jì)專業(yè)技術(shù)體系不一致,，在設(shè)計(jì)過(guò)程中難以相互融合,，造成可靠性設(shè)計(jì)分析工作往往滯后于性能設(shè)計(jì)分析工作，可靠性設(shè)計(jì)分析難以對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)狀態(tài)產(chǎn)生真正影響,。同時(shí),，傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)與評(píng)估方法需要大量新研產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，往往在研制后期才能開(kāi)展,。通過(guò)可靠性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)再進(jìn)行設(shè)計(jì)更改,，時(shí)間周期長(zhǎng)并且代價(jià)較大。工程實(shí)踐表明,，傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)評(píng)估方法,，越來(lái)越難滿足高科技產(chǎn)品高可靠長(zhǎng)壽命的需求。

近年來(lái),，數(shù)字樣機(jī)與虛擬仿真等相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速,，國(guó)內(nèi)外大部分科研機(jī)構(gòu)都采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品三維建模裝配與功能/性能分析，從而在設(shè)計(jì)階段早期獲得產(chǎn)品性能參數(shù)并改進(jìn)設(shè)計(jì),。目前,，將可靠性工作融入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析仿真過(guò)程，在工程上有著強(qiáng)烈的需求,?？煽啃苑抡婕夹g(shù)充分利用產(chǎn)品現(xiàn)有的功能/性能模型及相關(guān)CAD工具，以系統(tǒng)功能/性能模型為內(nèi)核,，以可靠性模型為外殼,，聯(lián)合各專業(yè)CAD工具建立綜合集成環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可靠性與性能一體化建模仿真,，支持在設(shè)計(jì)階段開(kāi)展基于仿真的可靠性設(shè)計(jì),、分析與評(píng)價(jià)?？煽啃苑抡娼Y(jié)果可以為可靠性與性能的協(xié)同設(shè)計(jì)與分析提供模型與數(shù)據(jù)支持。綜上可知,，可靠性仿真技術(shù)對(duì)于解決工程中可靠性設(shè)計(jì)與性能設(shè)計(jì)“兩張皮”問(wèn)題具有極高的實(shí)用價(jià)值,。

國(guó)外可靠性仿真技術(shù)的進(jìn)展與趨勢(shì)

設(shè)備可靠性仿真技術(shù)

美國(guó)NASA的AMES研究中心通過(guò)C-MAPSS（商用航空推進(jìn)系統(tǒng)仿真模塊）建立飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模型，通過(guò)單元退化機(jī)理模型和響應(yīng)面技術(shù)構(gòu)建了發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的退化模型。該方法可以應(yīng)用單元退化機(jī)理來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)退化過(guò)程和壽命,。

美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了基于CAD/CAE的可靠性仿真分析工具,，通過(guò)虛擬仿真和物理加速試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)微型機(jī)械等設(shè)備的關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行定位和評(píng)價(jià),。美國(guó)馬里蘭大學(xué)CALCE研究中心針對(duì)電子產(chǎn)品（主要為印制電路板）,，提出了一種基于故障物理的可靠性建模仿真方法。該方法利用熱仿真,、振動(dòng)仿真等虛擬仿真技術(shù)為故障物理模型提供輸入?yún)?shù),，并基于最弱環(huán)理論預(yù)測(cè)電子產(chǎn)品的壽命。CALCE還根據(jù)該可靠性建模仿真方法開(kāi)發(fā)了一種用于電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)的軟件工具——CalcePWATM,，已經(jīng)在NASA的航天飛船逃逸系統(tǒng),、HONEYWELL公司的AS900航空引擎電子控制系統(tǒng)等產(chǎn)品的可靠性評(píng)估中成功應(yīng)用，并發(fā)揮重要的作用,。

法國(guó)國(guó)家太空研究中心針對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）,，結(jié)合環(huán)境試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)與建模仿真工具，提出了基于故障物理的一階行為模型建模與仿真方法,，目的是提升MEMS的可靠性水平,。愛(ài)爾蘭國(guó)家微電子研究中心提出應(yīng)用仿真工具對(duì)微電子產(chǎn)品進(jìn)行可靠性建模與仿真，在建模過(guò)程中考慮了電遷移與應(yīng)力遷移等退化機(jī)理,，并且給出了該項(xiàng)技術(shù)的具體應(yīng)用案例,。以色列飛機(jī)工業(yè)公司研制了一種可靠性、維修性分析工具——綜合可靠性分析工具IRAT（Integrated Reliability Analysis Tool）,。該工具能夠充分利用各專業(yè) CAE/CAD 工具,，采用功能分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)專業(yè)設(shè)計(jì)工作與可靠性設(shè)計(jì)工作的良好結(jié)合。

系統(tǒng)級(jí)可靠性仿真平臺(tái)

在可靠性建模仿真,、不確定性量化及優(yōu)化技術(shù)的平臺(tái)化研究方面,，國(guó)外已經(jīng)形成了一些通用軟件平臺(tái)。這些平臺(tái)一般是將CAE仿真工具（例如多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS,、有限元分析軟件ANSYS,、ABAQUS、電路仿真軟件PSPICE,、液壓仿真軟件AMESim等）有效集成起來(lái),，解決可靠性建模仿真與優(yōu)化問(wèn)題。美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的通用優(yōu)化算法平臺(tái)DAKOTA,，提供包含基于梯度計(jì)算的非線性規(guī)劃,、無(wú)需梯度計(jì)算的模式搜索法和遺傳算法等的優(yōu)化算法庫(kù)，以及蒙特卡洛與代理模型等不確定性量化方法,。NASA利用DAKOTA對(duì)航空飛行器進(jìn)行了不確定性量化分析與可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì),。美國(guó)Engineous公司開(kāi)發(fā)的綜合性CAE平臺(tái)Isight/Fiber能夠快速聯(lián)合各種仿真軟件,，將設(shè)計(jì)框架、優(yōu)化算法,、代理模型組織起來(lái),，有助于實(shí)施產(chǎn)品的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析。

總體來(lái)說(shuō),，國(guó)外特別是美國(guó)的科研機(jī)構(gòu)對(duì)于可靠性仿真技術(shù)的理論研究日趨完備,，并且已經(jīng)將該項(xiàng)技術(shù)推廣到工程領(lǐng)域中，在航天飛船,、飛機(jī)引擎與某些軍用裝備的研制中發(fā)揮了重要作用,。未來(lái)以美國(guó)為首的西方國(guó)家將進(jìn)一步研究基于故障物理的可靠性仿真方法，實(shí)現(xiàn)更加精確逼真的可靠性建模與仿真分析,。

我國(guó)可靠性仿真技術(shù)發(fā)展

我國(guó)對(duì)可靠性仿真技術(shù)的研究開(kāi)展時(shí)間較晚,，技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后，目前正處于蓬勃發(fā)展階段,，并且形成了一些創(chuàng)新成果,，例如可靠性與性能一體化建模仿真方法等。國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的企業(yè)與科研院所在產(chǎn)品研制工作中開(kāi)始發(fā)現(xiàn)可靠性仿真技術(shù)的工程實(shí)用價(jià)值,，并對(duì)部分設(shè)備開(kāi)展了可靠性仿真分析工作,。針對(duì)系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)對(duì)于考慮可靠性的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù),，目前大多停留在研究階段,。未來(lái)我國(guó)可靠性仿真的技術(shù)發(fā)展及工程化應(yīng)用前景十分廣闊。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展可靠性仿真技術(shù)研究的單位很多,，今天重點(diǎn)介紹具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)內(nèi)首款機(jī)械可靠性仿真分析與優(yōu)化軟件 PROMREL,。

 Promrel（Professional Mechanical ReliabilityAnalysisSystem）是一個(gè)與數(shù)字化環(huán)境集成的、支持開(kāi)展可靠性與性能一體化設(shè)計(jì)與仿真分析的專業(yè)機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析軟件,，可針對(duì)機(jī)械,、機(jī)電等復(fù)雜產(chǎn)品，進(jìn)行結(jié)構(gòu)/機(jī)構(gòu),、設(shè)備,、系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品復(fù)雜環(huán)境下多場(chǎng)耦合、多機(jī)理相關(guān)的可靠性量化分析,、壽命預(yù)測(cè),、方案優(yōu)化等。主要包括多學(xué)科工具集成,、試驗(yàn)設(shè)計(jì),、響應(yīng)面擬合、可靠性分析,、系統(tǒng)可靠性分析,、可靠性優(yōu)化,、耐久性分析7個(gè)緊密集成的功能模塊。 

       在多學(xué)科協(xié)同仿真建模方面,，提供可視化的工作流建模功能，模擬設(shè)計(jì)產(chǎn)品的行為特性,，在一個(gè)流程中集成多個(gè)工具軟件,，如 Pro/E、UG,、CATIA,、ANSYS、MSC.ADAMS,、 PATRAN /  NASTRAN,、 FLUENT、MATLAB  / SIMULINK等,，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì),。具備圖形化的工作流建模功能，建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)與性能響應(yīng)的邏輯關(guān)系,；具備常用CAD/CAE軟件接口,，自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的軟件，并支持自編軟件,；與試驗(yàn)設(shè)計(jì),、響應(yīng)面擬合、可靠性分析等功能模塊無(wú)縫集成,。

Promrel軟件可實(shí)現(xiàn)分布式可靠性仿真計(jì)算功能,，滿足百臺(tái)以上計(jì)算機(jī)同步可靠性仿真分析，支持大型復(fù)雜結(jié)構(gòu),、機(jī)構(gòu),、系統(tǒng)的可靠性仿真需求。