森林工程专业“机械可靠性设计”课程创新教学实践初探

胡志栋，姜继海

（1.东北林业大学工程技术学院，哈尔滨150040;2.哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨 150080）

可靠性是贯穿于产品全生命周期内用以衡量产品质量的重要指标，包含于产品的规划、设计、制造、试验、使用、管理及维护等各个环节。除了技术性能和经济指标以外，现代产品的寿命和故障率决定了其市场竞争力和优劣胜负。可靠性理论正是以产品的寿命特征作为主要研究对象的一门边缘性学科，涉及到基础学科、专业技术学科和管理学科等多学科领域。在美国等发达国家的许多大学都开设了和可靠性工程相关的课程和学位，还有一些相关的职业教育［1－2］。

“机械可靠性设计”的设置，是为了适应林业科技发展现代化的需要而开设的选修课。对于森林工程专业的学生来说，通过本课程的系统学习，使学生了解机械可靠性设计的基本思想和基本方法，掌握机械可靠性设计的基本知识、基本理论，熟练应用ANSYS对典型机械零件的可靠性进行分析，能够将生产实际中的产品设计问题进行合理的设计，并能有效的提高产品的设计水平和质量，降低产品的成本。因此，努力探索一些创新性的教学方法，使学生容易理解课程的内容，并且切实提高学生掌握和运用可靠性解决实际可靠性问题，是本课程教学过程中一项重要的工作，也是机械可靠性设计教学亟待解决一个问题。

1 可靠性工程的内涵

可靠性学科就是定量的研究产品动态质量问题的一个学科。它对推动产品的设计和分析的现代化提供了必要的理论基础和分析方法。可靠性学科所包含的内容相当广泛，大致可包含三个方面:可靠性数学、可靠性物理 （失效分析）及可靠性工程。［3］。

可靠性设计是可靠性工程中的重要部分，产品的可靠性在很大程度上取决于设计的正确性。可靠性预测是可靠性设计的重要内容之一，除在设计阶段根据掌握的设计参数分布和失效率经验数据预报零部件和系统的预期可靠度外，还可在设备运行中根据采集到的监测数据进行失效预期分析，对设备的实际寿命和失效进行预报。系统可靠性分析和可靠性指标分配也是可靠性设计的重要内容，其将系统规定的允许失效率分配给系统的零部件，使在较小的经济代价下达到较高的系统可靠度。

2 教学内容和方法的制定与实施

2.1 精简教学内容

机械可靠性设计课程的理论内容比较枯燥，应该首先让学生认识可靠性的重要性，并提升学生的兴趣，因此通过正反两方面的案例来引出可靠性问题，使学生充分认识到学习可靠性的目的和必要性。

例如2003年，美国“哥伦比亚”号太空船在返回地面大气层时，由于机身上的一块隔热板被外挂油箱的脱落泡绵击中而刺穿，太空船烧成火球后解体。如图1所示。

图1 2003年哥伦比亚号Fig.1 Spacecraft Columbia of 2003

2008年9月25日我国的神舟七号载人航天飞船成功升空，并实现了太空行走，为了这一天，为了发射万无一失，中国的航天人付出了很大的心血，当时发射成功的概率据央视的报导是99.7%，但是据资料显示，当时的成功概率在99.99%或者更高。如图2所示。

图2 2008年神州七号Fig.2 Shenzhou-VII spacecraft of 2008

对森林工程专业的学生来说，重点内容就是机械可靠性设计。在讲解内容时，首先将机械可靠性设计与常规的机械设计进行比较使学生清楚可靠性设计和可靠优化是以常规设计和常规优化为基础而发展起来的一种新的设计方法。授课内容突出一个基本理论，即应力一强度干涉理论;两种典型的概率分布，即连续型分布和离散型分布;三个常用的随机变量进行数学运算的方法，即矩法、变异系数法和代数法;四种典型机械零件的可靠性设计，即螺栓连接、轴、滚动轴承和圆柱弹簧。

2.2 加强教学的实践环节

为了加强森林工程专业学生的机械可靠性设计的实践能力，选用ANSYS软件中的Probabilistic Design System模块，不仅可以让学生掌握ANSYS软件，还可以借助可靠性分析模块把分析结果图形化，这样使学生对所学内容有一个生动、形象的认识。

实践环节选用了一些典型的机械结构或机械零件，如简支梁结构、桁架结构、压力容器、内六角扳手、螺栓和传动轴等，如图3所示［4－5］。将学生分成学习小组，这样既可以调动学生的积极性，又可以通过团队的合作使学生形成独立的研究团队，为今后在工作过程中打下一定的基础。

图3 典型机械结构/零件模型Fig.3 Model of typical mechanical structure or part

图4所示是学生用ANSYS分析可靠性得到的一些典型的数据结果，分别反应了参数的抽样过程，参数的分布函数形状和各种输入参数对结果的敏感性贡献等。

图4 可靠性分析结果Fig.4 Results of reliability analysis

3 结论

通过精简机械可靠性设计课程的教学过程内容，加强实践教学等几个环节的创新性实践，改变了以往学生简单地学习机械可靠性设计这门课程的枯燥基础理论的现象。使学生不但能够较好地掌握该门课程的基础理论，还学会了应用ANSYS对典型机械结构/零件在具体实践中进行可靠性设计。为学生今后从事可靠性的工程技术及科学研究工作奠定了良好的基础。

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［1］孙 权，龚时雨，朱志伟.美国马里兰大学可靠性工程教育的研究与借鉴［J］.高等教育研究学报，2000，23（3）:96 －97.

［2］陶俊勇，任志乾，陈 循.美国马里兰大学可靠性工程专业与课程体系建设浅析［J］.高等教育研究学报，2009，32（1）:51 －53.

［3］郝静如.机械可靠性工程［M］.国防工业出版社，2008（3）:81－85.

［4］胡志栋，万雨婷.基于ANSYS的压力容器可靠性分析［J］.森林工程，2011，27（4）:15 －19.

［5］胡志栋，徐康博.液压拉伸器用螺栓的可靠性分析［J］.森林工程，2012，28（2）:38 －41.

［6］王 巍，郭 瑞，宋玉杰，等.工业工程实践教学创新方法研究［J］.森林工程，2011，27（5）:94 －96