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EMBRACE THE NEW ERA OF INDUSTRY
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来源： 日期：2021-04-02
可靠性仿真的概念
当前全球科技水平的不断提升使得航空航天、军事装备等行业得到空前发展。高科技产品功能结构复杂、系统组成庞大、研发周期长费用高、可靠性问题突出。传统的基于统计的可靠性设计分析方法，与性能设计专业技术体系不一致，在设计过程中难以相互融合，造成可靠性设计分析工作往往滞后于性能设计分析工作，可靠性设计分析难以对产品的设计状态产生真正影响。同时，传统的可靠性试验与评估方法需要大量新研产品进行试验，往往在研制后期才能开展。通过可靠性试验发现产品薄弱环节再进行设计更改，时间周期长并且代价较大。工程实践表明，传统的可靠性设计分析与试验评估方法，越来越难满足高科技产品高可靠长寿命的需求。
近年来，数字样机与虚拟仿真等相关技术发展迅速，国内外大部分科研机构都采用虚拟仿真技术进行产品三维建模装配与功能/性能分析，从而在设计阶段早期获得产品性能参数并改进设计。目前，将可靠性工作融入到产品设计和分析仿真过程，形成了在工程上有着强烈需求的可靠性仿真。可靠性仿真是充分利用产品现有的功能/性能模型及相关CAD工具，以系统功能/性能模型为内核，以可靠性模型为外壳，联合各专业CAD工具建立综合集成环境，实现可靠性与性能一体化建模仿真，支持在设计阶段开展基于仿真的可靠性设计、分析与评价。可靠性仿真结果可以为可靠性与性能的协同设计与分析提供模型与数据支持。综上可知，可靠性仿真技术对于解决工程中可靠性设计与性能设计“两张皮”问题具有极高的实用价值。
当然，在可靠性分析时，很多情况下难以直接建立应力、应变、位移等与载荷、材料、结构尺寸的关系，往往需要借助各种CAE工具，如有限元、多体动力学来进行分析，这种情况下反映为功能函数与基本随机变量的关系是隐式的。
从可靠度计算的角度分析，模拟法和响应面法一般只需要获得功能函数在给定样本点的值，这些值可以借助CAE工具分析获得，再对结果进行统计来计算可靠度；一次可靠度法不仅需要计算功能函数的值，还需要获得功能函数关于随机向量的梯度。
利用CAE工具进行可靠性仿真计算，必须解决以下2个问题：
1、可靠度计算程序对CAE软件的封装和调用，以实现功能函数值的计算；
2、梯度的计算，这可以在获得功能函数值的基础上采用有限差分法计算。
因此关键是实现利用CAE工具实现功能函数值的计算。有两种实现可靠性仿真计算的思路：抽样仿真和迭代仿真，如图1所示。
▲图1 可靠性仿真的流程
可靠性仿真的方法
1、精度高。仿真计算机是数学仿真的主要硬件设备。随着仿真机技术的发展，计算机运算精度有了很大的提高，这保证了试验结果的精确性。同时，数学仿真试验结果的逼真度和置信度，主要依赖于建立的数学模型的准确性。现有的可靠性和仿真技术已经能较好地解决可靠性建模这一问题。
2、对计算机要求较低。可靠性仿真不要求实时仿真，因此在一般的个人微机、工作站上就可以进行，而不需专门的昂贵的仿真机（小型机、巨型机等）。这一点更有利于可靠性仿真工作的开展 。
3、难度较低。可靠性数学模型变为计算机上运行的仿真模型，可以直接利用系统数学模型中各种坐标系及其变换关系进行，不必考虑因实物接入而带来的各坐标系之间的协调转换，降低了实现仿真的难度。
4、成本低。数学仿真突出的优点之一就是所有试验封闭在计算机上进行，它不需要实物的参与，又可以进行大量的、 重复性的试验，节省了可靠性工程经费的投入。可靠性仿真特别适用于可靠性统计试验。
对于庞大、复杂的系统，其各分系统、组合、元器件、零件都有不同的失效类型和故障模式，传统的分析方法研究十分困难。可靠性仿真则可以较好地解决这一问题。它即可以应用于可靠性设计中，也可以应用于可靠性试验中；既可以应用于可靠性统计试验，又可以应用于可靠性工程试验；既可以先对各分系统，如电气、液压等重点分系统进行可靠性仿真，进而依据这些结果对全系统进行可靠性仿真；也可以直接对全系统进行可靠性仿真，具有广泛的应用范围。
可靠性仿真在不同的研制阶段也具有不同的做法：在方案论证阶段，利用可靠性设计手册提供的可靠性预计数据和可靠性分配数据进行仿真试验，对系统作出比较粗略的估计；在工程研制阶段，就可以利用有关的试验数据进行仿真试验，通过修改实际系统，可以提高系统可靠性水平，通过对仿真结果的统计分析，可以实现对系统可靠性精确的评估；在产品使用阶段，通过对发生故障的复现、排除，实现对产品的改进设计。
可靠性仿真一般采取以下步骤 :
1、建立可靠性数据库（RDBF）。广泛收集可靠性数据, 对数据进行加工处理,得出各分系统及各分系统内各元器件、组合部件等的寿命分布类型和可靠性参数值，从而建立系统的可靠性数据库。
2、构造故障树（FTA）。故障树法是可靠性工程中最常用、最有效的一种设计分析方法，它既可以进行定性分析，也可以进一步用于进行定量分析。通过与故障模式及影响分析法(FMEA)的有机结合，由工程设计人员建立系统、分系统故障树，并邀请有关的可靠性工程人员参加审查，以保证故障树的逻辑关系正确 。
3、建立可靠性模型（数学模型）。利用系统的热设计、冗余设计、降额设计以及积累零件、元器件、部件、组合和分系统的失效模式, 由专业人员建立可靠性模型。
4、建立可靠性仿真模型。根据可靠性模型的形式、计算机类型以及试验要求将可靠性模型转变适合于计算机处理的形式，即可靠性仿真模型，并依据有关参数进行仿真模型的验证，确定模型的有效性。
5、编制仿真程序。利用仿真软件将可靠性仿真模型输入计算机，并对仿真程序要使用的数组定维、设置工作单元位置、输入可靠性仿真参数、初始条件、规定输出打印间隔、打印数据和绘图比例尺等。
6、可靠性仿真试验。依据仿真目的，在可靠性仿真模型上进行大量的仿真试验。仿真不同于一般的科学计算，它要求体现出“在模型上进行试验”这个含义，也就是在仿真试验时，工程技术人员就像在真实系统上进行试验那样可以观察系统的动态过程，适时地改变系统的初始条件和有关参数，甚至结构模型，实现人机交互功能。
7、可靠性仿真结果分析与评定。对于复杂的随机过程，一般采用蒙特卡洛法（Monte Carlo）等统计方法，通过选择不同的随机初始条件和随机输入函数，对可靠性仿真系统进行大量的统计计算，并得出系统变量的统计特性。
可靠性仿真的应用
对于设备来说，当前的发展趋势是利用可靠性仿真技术，建立产品可靠性仿真模型，支持在设计阶段开展基于仿真的可靠性设计分析与虚拟试验评估。可靠性仿真技术以各性能专业的仿真模型为基础，进一步考虑产品的寿命周期载荷、故障行为与故障机理以及工艺参数的散布特性，建立可靠性仿真模型，即基于可靠性的产品数字样机。在基于可靠性的数字建模、数据传递、拓延和试验仿真过程中，提升和验证产品的可靠性。
以液压伺服产品为例，其总体设计流程如图2所示。图中展示了控制系统设计、液压系统设计与执行机构设计之间的耦合关系。其中，控制系统需要利用控制系统仿真（Matlab/Simulink）来辅助设计；液压系统需要利用液压系统仿真（AMESim）来辅助设计；执行机构需要利用多体动力学仿真（ADAMS）来辅助设计。
▲图2 液压伺服系统总体设计流程图及其可靠性仿真考虑的不确定性因素
液压伺服产品等机电产品，其生产制造与使用环境中存在着各种不确定性因素，例如加工制造误差、材料属性的分散性、元器件参数漂移以及随机环境载荷（温度、湿度与振动）等。这些不确定性因素会对机电产品的实际性能产生深刻影响。例如电子控制系统参数的累积误差，可能导致其控制输出响应超出规定值而发生故障；执行机构的制造安装误差与外界环境载荷作用，可能导致运动卡滞等严重故障。
机电产品传统设计分析方法，一般只关注标称状态下的性能响应，难以考虑内外不确定性因素影响下的性能散布特性，导致设计出来的产品可能面临较高的故障风险，无法保证其可靠性满足要求。可靠性仿真技术能够将各种不确定性因素引入到仿真模型中来，利用多种不确定性量化手段，实现对产品性能响应不确定性的度量，并且找出关键不确定性因素，通过控制这些不确定性因素达到提高产品可靠性水平的目的。