做機械零部件完美可靠的設計師

    創新之路

    作者：林鷺

    縫紉機、汽車變檔機製、車用直列式發動機、飛機的星形發動機、飛機螺旋槳同步射擊器、車等速萬向節等等這些動態機械無時無刻不與我們的生活親密接觸。然而，隨著現代化工業技術的飛速發展，機械產品日趨複雜化、大型化、高參數化，產品故障機率隨之增多。我國機械產品的可靠性設計水平與國際先進水平相比還有相當大的差距，這已成為製約我國機械工業迅速發展的瓶頸。可靠性作為產品質量的主要指標不僅引起社會大眾的關注，更受到工程界的重視。作為一名動力學研究學者，王新剛從鐵路機車車輪、車軸、轉向架和車軸承等重要部件這些細節入手，開始關注機械零部件可靠性，從此一發不可收拾，踏上了機械結構可靠性設計研究與應用的征程。

    融會貫通的理論

    生長在東北老工業基地的王新剛始終對各種機械部件情有獨鍾，在讀博時就確定了自己的研究方向——機械可靠性設計，在東北大學寬闊的學術平台上演繹了人生精彩。從機車車輪的動態疲勞可靠性研究開始，他把力學理論靈活地運用於運動中機械零部件的可靠性設計。他說：“傳統的機械零部件可靠性型是建立在靜態力學模型基礎上的，屬於靜態可靠性範疇。實際上機械零部件因使用期限長，並受自身材料性能、所處環境情況、荷載效應的變化以及振動頻率、輸出響應和能量傳遞等其它各種因素的影響，使產品的可靠性表現出了動態的特征。這種產品特性參數的變化通常是一個隨時間漸變的過程，而傳統模型下是恰恰忽略了這個重要特性。”

    可是，動態可靠性遠比靜態可靠性複雜得多。為了彌補這種缺失並確立運動、振動或強度退化狀況下的可靠性指標，他從機械動態設計的概念入手，在概率動力學的基礎上，把機械零件強度、載荷、可靠度和失效率隨時間的變化規律融入統計理論，並應用順序統計理論和隨機過程，建立了機械部件通用的動態可靠性數學模型，以此解釋複雜機械產品的各種失效現象及機理，為實現我國大型複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。

    隨著研究的深入，他發現，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，參數或設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，甚至會出現完全錯誤的信息。為修正原有公式的偏差，他結合靈敏度技術，采用攝動方法，以動態可靠性數學模型為基礎，建立了機械零部件動態可靠性靈敏度設計的計算模型，明確了動態可靠性靈敏度的物理意義及變化規律。

    研究就是永無止境的完美追求。在先前建立的數學模型基礎之上，他融入了可靠性和穩健設計方法，建立了基於靈敏度的穩健優化設計數學模型。“研究的目地就是服務於大眾。”他說，為能快速準確地找到最優設計參數，提高機械零件的可靠性及穩健性，他又加入了隨機攝動方法、Edgeworth級數方法及相應的經驗修正公式，通過計算機程序建立了集可靠性設計、靈敏度分析、優化設計和穩健設計為一體的機械零件動態可靠性穩健優化設計數學模型。同時，在此基礎上，他又發展了具有任意分布參數的機械零件動態可靠性穩健優化設計理論，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品的高可靠性及穩健性的技術難題。